Измерительные информационные системы: принципы построения

М. П Ц А П Е Н К О
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ИНФОРМАЦИОННЫЕ
СИСТЕМЫ
ПРИНЦИПЫ
ПОСТРОЕНИЯ
Допущено Министерством высшего и
среднего специального образования СССР
в качестве учебного пособия для студентов
вузов, . обучающихся
по специальности
«Информационно-измерительная
техника»
«ЭНЕРГИЯ»
МОСКВА 1974
621.3.083.92
6П2.1.081
Ц 17
УДК
Цапенко М. П.
Ц 17 Измерительные информационные системы. Учеб,
пособие для вузов. М.. «Энергия». 1974.
320 с. с ил.
Книга посвящена изложению общетеоретических вопросов, а так­
же принципов построения и основ проектирования измерительных
информационных систем (ИИС). Рассматриваются критерии оценки
ИИС, вопросы планирования измерительного эксперимента, дискрети­
зации и восстановления непрерывных величин, основные закономерно­
сти преобразования измеряемых величин в сигналы, особенности обра­
ботки измерительной информации в ИИС. Анализируются основные
разновидности структур ИИС и их свойства.
Книга рассчитана на студентов вузов и может быть
же инженерам, эксплуатирующим и создающим ИИС.
30306-589
Ц 051(01)-74
©
189-74
Издательство «Энергия», 1974 г.
8П2.1.081
Посвящается светлой памяти
Константина Борисовича
Карандеева
ПРЕДИСЛОВИЕ
Систематизация и обобщение принципов построения бурно развиваю­
щейся в последние годы разновидности информационных систем — изме­
рительных информационных систем (И И С)— совершенно необходимы.
Это определяется тем, что большое количество инженерно-технических
работников подключается к разработке ИИС, особенно связанных со
вводом данных в вычислительные машины и в автоматизированные си­
стемы управления производством, а также тем, что высшие технические
заведения страны проводят подготовку специалистов такого профиля.
Естественно, что инженеры и техники, преподаватели и студенты нужда­
ются в исходных материалах по принципам построения ИИС. Предпо­
лагается, что удовлетворению этих требований и должна служить на­
стоящая книга.
Содержание книги ограничивается материалом, относящимся к изме­
рительным и контрольно-измерительным системам ближнего действия,
а также имеющим к ним отношение типам систем опознания образов и
технической диагностики Большой ;класс ИИС — системы телеизмере­
ний и телекоитроля — здесь не рассматривается.
Состав и последовательность изложения материала книги примерно
соответствуют основным разделам программы высших учебных заведе­
ний по курсу ИИС К каждой главе приведена библиография, в кото­
рой в основном приводится отечественная литература. Это объясняется
не отсутствием иностранных работ, а изобилием публикаций в этой об­
ласти
В этой книге сделана попытка систематизации основных (и, конечно,
далеко не всех) общетеоретических вопросов и принципов построения
ИИС. В ней отражены не все известные реализации систем, так .как
сделать это в ограниченном объеме невозможно, а кроме того, и нецеле­
сообразно, так как многие системы быстро устаревают. Приведенные
описания конкретных ИИС служат в основном примерами, иллюстрит
рующими принципы действия систем.
В книге не акцентируется внимание читателей на расчете и проекти­
ровании отдельных элементов ИИС, так как эти вопросы достаточно
освещены в литературе.
Предполагается, что читатель знаком с основами измерительной ин­
формационной техники (в первую очередь с измерительными, аналого­
выми и аналого-цифровыми преобразователями, методами измерений
^измерительными приборами) и вычислительной техники, с основами
теории вероятностей и математической статистики в объеме программ
технических институтов.
При написании книги использовались результаты научно-исследова­
тельских работ, выполненных автором или при его участии, конспект
лекций, читавшихся им по курсу ИИС в Новосибирском электротехни­
ческом институте, а также многочисленные материалы, имеющие отно­
шение к ИИС, опубликованные в периодических изданиях и книгах.
Можно проследить определенную связь между содержанием этой
книги и серии монографий, книг и статей по ИИС, подготовлявшихся
в Институте автоматики и электрометрии СО АН СССР.
Инициатива в .издании этой серии трудов, так же как и в подготов­
ке настоящей книги, принадлежала К. Б. Карандееву.
Влияние К. Б. Карандеева на основное содержание этой книги
велико, и автор убежден, что если бы не сложившиеся обстоятельства,
то книга по ИИС была бы подготовлена раньше и написана лучше, чем
это сделано.
С чувством глубокой благодарности отмечаю помощь, которую в про­
цессе подготовки и написания рукописи оказывал член-корр. АН СССР
Б. С. Сотсков.
Искреннюю признательность приношу проф. Ф. Е. Темникову за
неоднократные обсуждения вопросов, относящихся к тематике книги,
проф. А. М. Мелик-Шахназарову, сотрудникам кафедры информацион­
но-измерительной техники Московского энергетического института за
рецензирование и доктору техн. наук И. М. Шенброту за выполненный
им большой труд по научному редактированию рукописи.
В работе над книгой оказывали помощь кандидаты техн. наук
Б. В. Карпюк, Ю. И. Щетинин (участие в написании 3, 4 и 7-й глав),
В. И. Рабинович, С. Д. Амромин, Я. И. Капицкий, а также Е. И. Фи­
латов, взявший на себя труд по подготовке рукописи, В. П. Гильман
(оформление рукописи) и др.
Автор будет весьма признателен всем читателям,.приславшим свои
замечания и пожелания по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая
иаб., 10. Издательство «Энергия».
Автор
Современная
информационная
техника — крупнейший раздел, техн и ч е с к о й к и б е р н е т и к и — дисциплины, изучающей общие законо­
мерности процессов целесообразно­
го управления, ‘ получения и преоб­
разования информации в техниче­
ских устройствах.
Информационная техника имеет
колоссальное и непрерывно возрас­
тающее значение в жизни человече­
ства. Она решает огромный круг за­
дач, связанных главным образом со
сбором, переработкой, передачей,
хранением, поиском и выдачей раз­
нообразной информации человеку
или машине.
В соответствии с основными
функциями, информационной техни­
ки выделяются следующие ее ветви:
вычислительная техника, техника
передачи информации (связи), тех­
ника хранения и поиска информа­
ции и измерительная информацион­
ная техника. Каждая из этих основ­
ных ветвей информационной техники
имеет свои особенности, принципы
построения технических устройств.
В то же время они объединяются
общими теоретическими основами,
которые интенсивно формируются
и совершенствуются в настоящее
время.
Остановимся несколько подроб­
нее на и з м е р и т е л ь н о й и н ф о р ­
мационной
технике.
Она
предназначена для получения опыт­
ным путем, количественно опреде­
ленной информации о разнообраз­
ных объектах материального мира.
Основными процессами, позво­
ляющими получить такую инфорхчацию, являются процессы счета, из­
мерения, контроля, опознания обра­
зов, диагностики. Существует широ­
кое толкование этих терминов. На­
пример, процесс измерения связы­
вается с введением в исследуемое
явление единицы измерения. Такое
представление об измерении исполь­
зуется в математике, социологии,
психологии и др. В измерительной
информационной технике приме­
няется узкое толкование этих терми­
нов, вытекающее из того, что эти
процессы реализуются эксперимен­
тально, служат для получения коли­
чественной оценки состояния мате­
риального объекта через сравне­
ние параметров объекта с мерой
(овеществленной единицей изме­
рения), описанием (через количест­
венные характеристики) заданного
состояния.
Видимо, полезно уточнить приня­
тое в дальнейшем изложении пред­
ставление об этих процессах.
Согласно ГОСТ 16263-70 и з м е ­
р е н и е —это нахождение значения
физической величины опытным пу­
тем с помощью специальных техни­
ческих средств. В процессе измере­
ния получается численное отноше­
ние между измеряемой величиной и
некоторым ее значением, принятым
за единицу срдвнения.
Под к о н т р о л е м понимается
установление соответствия между
состоянием (свойством) объекта
контроля и заданной нормой, опре-
деляющей качественно различные
области его состояния. В результате
контроля выдается суждение о со­
стоянии объекта контроля.
О п о з н а н и е о б р а з о в связа­
но с установлением соответствия
между объектом и заданным обра­
зом. Так же, как норма при контро­
ле, при опознании образ может быть
задан в виде образцового изделия
или в виде перечня определенных
свойств ' и значений параметров
(признаков) с указанием полей до­
пуска. Нужно заметить, что в целом
ряде практических приложений по­
нятия контроля и опознания обра­
зов совпадают
Во многих случаях для восста­
новления нормальной работы объек
та необходимо выявить элементы,
послужившие причиной его непра­
вильного функционирования. Такое
направление развития методов и
средств контроля работы техниче­
ских устройств называется те хнич е с к о й д и а г н о с ти к о й.
Счет, т. е. определение коли­
чества каких-либо событий или
предметов, в измерительной инфор­
мационной технике относительно
редко имеет самостоятельное значе­
ние и чаще входит составляющей
операцией в процессы измерения,
контроля и т. д.
Во всех перечисленных процес­
сах, используемых в измерительной
информационной технике, имеются
общие черты. Все эти процессы обя­
зательно включают восприятие тех­
ническими средствами исследуемых
(измеряемых, контролируемых) ве­
личин, весьма часто с преобразова­
нием в некоторые промежуточные
величины, сравнение их опытным
путем с известными величинами,
с описаниями состояний или свойств
объектов, формирование и выдачу
результатов в виде именованных
чисел, их отношений, суждений, ос­
нованных на количественных соот­
ношениях.
В измерительной информацион­
ной технике наиболее важную роль
играет процесс измерения, являю
6
щийся основным путем получения
количественной информации. Сред­
ства измерений известны со времен
глубокой древности (Китай, Вави­
лон, Индия, Египет, Греция, Рим).
К. Маркс считал, что отыскание «об­
щественных мер для оценки коли­
чественной стороны полезных ве­
щей»1 являлось делом развития об:
щества.
Человечество пришло к необхо­
димости выработать особые приемы
количественного выражения сущест­
венных для него свойств объектов
с помощью именованных чисел, со­
ответствующих определенным долям
выбранных мер. Так возник в раз­
витии человеческой культуры про­
цесс измерения, возникли средства
и методы
измерений,
которые
в дальнейшем стали одним из важ­
нейших орудий познания окружаю­
щего человека мира. Развитие науки
и промышленности стимулировало
развитие измерительной техникиновые достижения измерительной
техники оказывали влияние на раз­
витие многих отраслей науки и тех­
ники. «Именно измерение связывает
науку с математикой, с одной сторо­
ны, с торговлей и технической прак­
тикой — с другой» [Л. В-1].
По существу ни одно экспери­
ментальное научное исследование,
ни один процесс производства не
может обойтись без измерений в той
или иной форме, без получения то­
го, что мы называем измерительной
информацией. В -настоящее время
ни у кого не вызывает сомнения,
что без должного развития мето­
дов и средств измерения невозмо­
жен прогресс науки и техники. Раз­
витие современного научного экс­
перимента, включающего исследова­
ние космического пространства и
элементарных частиц материи, глу­
бин океанов и поверхности Земли и
пр., совершенствование промышленного^нроизводства и средств ком­
плексного управления производст­
i Маркс К. Капитал, т. 1. М., Гослолитиздат, 1963, с. 44.
вом, развитие практически всех от­
раслей народного хозяйства и обо­
ронной техники в значительной сте­
пени зависят от своевременного и
качественного сбора измерительной
информации, от Должного уровня и
опережающего развития средств из­
мерения [Л. В-2, В-3].
Необходимо отметить роль мет­
рологии в деле становления мето­
дов и средств измерения. Метроло­
гия в начале своего развития зани
малась главным образом сбором
справочных данных о мерах и еди­
ницах измерений. Современная мет­
рология превратилась в науку о точ­
ности измерений, о единстве мер
[Л. В-4].
Наряду с метрологией возникли
теория измерений, теоретические ос­
новы измерительной техники в це­
лом и по основным способам изме­
рений (например, электрические, оп­
тические, механические измерения)
[Л. В-5, В-6 и др.]. В теоретическом
плане при создании новых средств
измерительной техники используют­
ся (обычно с необходимой доработ­
кой в прикладном плане) современ­
ные достижения математики, теории
-автоматического управления и теле­
механики, вычислительной техники,
теории, связи, планирования, экспе­
римента и др.
Здесь уместно заметить, что на­
званные области науки в свою оче­
редь используют достижения теории
измерений, метрологии, измеритель­
ной техники. Встречаются обстоя­
тельства, когда специалисты смеж­
ных областей информационной тех­
ники занимаются решением задач,
относящихся к измерительной тех­
нике. Так, например, специалисты
по вычислительной технике весьма
часто занимаются созданием анало­
го-цифровых преобразователей, из­
мерительных коммутаторов. Но, ви­
димо, наметившаяся тенденция к со­
зданию общетеоретических основ
информационной техники приведет
к определенному ограничению круга
задач, подлежащих решению в каж­
дом из разделов информационной
техники, благодаря получению об­
щих решений. Однако потребности
в новых видах информационной тех­
ники растут очень быстро, ставя все
новые задачи. Научный совет по
проблемам- электрических измерений
и измерительных информационных
систем при Отделении механики и
процессов управления АН СССР
произвел анализ потребностей на­
родного хозяйства Советского Со­
юза в средствах измерений. Оказа­
лось, что в ближайшее время необ­
ходимо по крайней мере в 4 раза
увеличить количество видов изме­
ряемых величин.
Но не только увеличение коли­
чества видов измеряемых величин
ведет к необходимости совершенст­
вования средств измерений.
До недавнего прошлого арсенал
средств измерительной техники ог­
раничивался неавтоматическими и
автоматическими
измерительными
приборами, предназначенными для
измерения одной величины или не­
большой группы однородных вели­
чин, обычно не изменяющихся за
цикл измерения. Нужно отметить,
что и в настоящее время производ­
ство таких измерительных приборов
составляет основную долю продук­
ции приборостроительной промыш­
ленности.
В последние годы, в первую оче­
редь в связи с резкой интенсифика­
цией и автоматизацией процессов
производства, усложнением и рас­
ширением фронта научных экспери­
ментов, существенно изменились
требования к средствам измерения.
Новые требования связаны глав­
ным образом с переходом к получе­
нию и использованию результатов
не отдельных измерений, а потоков
измерительной информации. Зача­
стую необходимо получать инфор­
мацию о сотнях и тысячах однород­
ных или разнородных измеряемых
величин, часть из которых может
быть недоступной для прямых из­
мерений.
Как правило, получение всего
объема измерительной информации
и ее обработка (иногда по довольно
сложным алгоритмам) должны вы­
полняться за ограниченное время.
Если эти функции возложить на че­
ловека, вооруженного лишь про­
стейшими измерительными и вычис­
лительными устройствами, то в силу
физиологических ограничений он,
даже при весьма значительной тре­
нировке, не сможет их выполнять.
Решение этой проблемы путем уве­
личения обслуживающего персонала
не всегда возможно, а там, где это
возможно, в большинстве случаев
экономически невыгодно. Уместно
заметить, что из-за опасных условий
эксперимента или вредности техно­
логического процесса участие человека-оператора может быть вообще
недопустимым.
Таким образом, перед измери­
тельной техникой была поставлена
проблема создания новых средств,
способных разгрузить человека от
необходимости сбора и обработки
интенсивных потоков измерительной
информации. Решение этой пробле­
мы привело к появлению нового
класса средств измерения — и з м е ­
р и т е л ь н ы х с и с т е м (ИС), пред­
назначенных для автоматического
сбора и обработки измерительной
информации.
Аналогично можно проследить
развитие других средств измери­
тельной информационной техники,
приведшее к необходимости созда­
ния кроме ИС также систем авто­
матического контроля (САК), тех­
нической диагностики (СТД), опо­
знания образов (СОО).
Перечисленные выше системы
получили название и з м е р и т е л ь ­
ных и н ф о р м а ц и о н н ы х с ис т е м (ИИС) (иногда их называ­
ют информационно-измерительными,
измерительно-вычислительными си­
стемами или комплексами, система­
ми сбора и обработки измеритель­
ной информации и т. п.) ГЛ В-7—
В-11].
Под ИИС понимаются системы,
предназначенные для автоматиче­
ского получения количественной ин8
формации непосредственно от изу­
чаемого объекта путем измерения и
контроля, обработки этой информа­
ции и выдачи ее в виде совокупно­
сти именованных чисел, высказыва­
ний, графиков и т. д., отражающих
состояние данного объекта [Л. В-12].
Измерительные
информационные
системы должны воспринимать из­
лучаемые величины непосредственно
от объекта, а на выходе ИИС имеет­
ся количественная информация (и
только информация) об исследуе­
мом объекте; ИИС существенно от­
личаются от других информацион­
ных систем и систем автоматическо­
го управления (САУ). Так, универ­
сальные вычислительные машины,
системы связи, системы управления
могут получать на входе информа­
цию от других систем (в частности,
от ИИС), на выходе систем управ­
ления формируются управляющие
воздействия. Разумеется, информа­
ция, получаемая на выходе ИИС,
используется для принятия какихлибо решений, однако использова­
ние информации не входит в функ­
ции ИИС.
Научную дисциплину, занимаю­
щуюся
теорией
автоматических
средств получения количественной
информации экспериментальным пу­
тем непосредственно от объектов ис­
следования, разработкой методов
проектирования ИИС, предложено
называть а в т о м е т р и е й [Л. В-13].
Попытаемся определить наибо­
лее важные разделы автометрии.
Основная , ее цель заключается
в формировании теоретической ба­
зы, необходимой для рациональ­
ного, оптимального в заданном
смысле построения разнообразных
ИИС.
Проектированию ИИС должны
предшествовать сбор и обобщение
исходных сведений об исследуемом
объекте (описание математической
модели объекта), выделение цели и
объекта измерения, контроля, диаг­
ностики и т. д. В случаях измерения
и контроля исходные сведения об
исследуемом объекте могут вклю­
чать уже известные детерминиро­
ванные и статистические закономер­
ности. В случае диагностики долж­
ны быть, кроме того, известны све­
дения о структурных особенностях
объекта. Обычно основные исходные
сведения об объекте исследования
поставляются той областью науки
или техники, для которой создаются
данные ИИС.
Изучение и систематизация све­
дений о характере исследуемых ве­
личин имеет важное значение, так
как можно утверждать, что в зави­
симости от характера и степени изу­
ченности свойств параметров долж­
ны использоваться различные мето­
ды построения ИИС.
На проектирование ИИС помимо
свойств и характеристик объекта ис
следования существенное влияние
оказывают требования к виду вы­
ходной информации, определяемые
целью применения ИИС и условия­
ми эксплуатации (в частности, ис­
пользуется ли выходная информа­
ция человеком, вводится ли в ЦВМ
или в САУ) Помимо обеспечения
заданных метрологических характе­
ристик к выходной информации все
чаще предъявляются требования
выдачи обобщенных характеристик
(например, статистических), данных
о взаимосвязанных величинах, по­
вышаются требования к ИИС по на­
дежности, сложности и т. п.
Автометрия должна дать методы
и средства, необходимые для про­
ектирования ИИС, удовлетворяю­
щих исходным данным и требовани­
ям. В первую очередь необходимо
обеспечить обоснование принципов
построения оптимальных процедур
получения и обработки измеритель­
ной информации, включая выбор
критериев и методов оценки ИИС,
оптимальных в данном случае мето­
дов дискретизации величин, умень­
шения влияния внешних мешающих
воздействий, алгоритмов обработки
информации, выбора структуры и
состава элементов ИИС.
После проектирования, конструи­
рования и изготовления ИИС необ­
ходимо провести исследование и про­
верку их свойств, для этой цели
нужно разработать методы и сред­
ства исследования и проверки.
Таким в общих чертах представ­
ляются объем и содержание авто­
метрии.
Для создания ИИС, естественно,
необходимо иметь соответствующую
материальную базу, включающую
первичные измерительные преобра­
зователи, образцовые меры, измери­
тельные цепи, коммутационные и
сканирующие устройства, функцио­
нальные преобразователи, устройст­
ва кратковременной и долговремен-ч
ной памяти, вычислительные устрой­
ства, выходные устройства и т. д.
До настоящего времени большая
часть изготовленных ИИС обеспе­
чивалась специально разрабатывае­
мыми для них узлами. Это, бесспор­
но, вело к существенному увеличе­
нию сроков и стоимости разработки
и изготовления ИИС и препятство­
вало должному объему применения
ИИС в народном хозяйстве и науч­
ных исследованиях. (Нужно заме­
тить, что сказанное относится ко
всем видам информационных систем
и САУ.) Поскольку в большинстве
ИИС можно выделить типовые
функциональные узлы и блоки, то
решительное ускорение и улучшение
проектирования и изготовления раз­
нообразных ИИС будут достигнуты
путем создания унифицированных
типовых блоков с соответствующим
метрологическим и программным
.обеспечением ИИС, стрбящихся из
этих блоков.
Подобный подход использован
в Государственной системе промыш­
ленных приборов и средств автома­
тизации (ГСП) и в системе УРС
(Международная универсальная си­
стема автоматического контроля,
регулирования и управления), при­
нятой в странах — членах СЭВ. Учи­
тывая большое народнохозяйствен­
ное значение работы по созданию
средств ГСП, Директивами XXIV
съезда 1£ПСС на IX пятилетие по­
ставлена задача: «Завершить созда-
ние полного комплекса унифициро­
ванных устройств, входящих в Го­
сударственную систему промышлен­
ных приборов, и освоение производ­
ства таких устройств. Освоить про­
изводство агрегатированных комп­
лексов общепромышленных прибо­
ров и средств автоматизации с по­
вышенными эксплуатационными по­
казателями и повышенной надеж­
ностью».
В ГСП входят несколько агре­
гатных комплексов, в основу кото­
рых положены блочно-модульный
принцип построения систем, унифи­
кация сигналов для передачи и пе­
реработки измерительной, контроль­
ной или командной информации,
унификация параметров питания,
конструктивных размеров блоков и
условий эксплуатации.
В Директивах XXIV съезда
КПСС поставлена также задача:
«Расширить промышленное произ­
водство современных приборов, ап­
паратов и лабораторного оборудо­
вания длл проведения научно-иссле­
довательских работ...». Видимо, ре­
шение этой задачи во многом свя­
зано с успешным завершением ра­
бот по промышленному освоению
агрегатных комплексов ГСП, так
как большое количество унифициро­
ванных устройств может быть ис­
пользовано при создании ИИС для
научных исследований. Если же го­
ворить о принципах построения та­
ких ИИС, то в подавляющем боль­
шинстве случаев они не отличаются
от принципов построения ИИС об­
щепромышленного назначения.
Завершая общую и предвари­
тельную характеристику проблем,
связанных с созданием ИИС, нужно
сказать, что состав методов и
средств, отражающих основное со­
держание автометрии и материаль­
ной базы в виде агрегатных комп­
лексов ГСП, в настоящее время оп­
ределен и проработан недостаточно
полно, а относительная новизна и
широта проблематики предопреде­
ляет известную незаконченность их
разработки.
Ю
Сказанное в полной мере отно­
сится и к литературе по ИИС. Нам
неизвестны работы, обобщающие
в должной мере основные материа­
лы по ИИС (правда, имеется конс­
пект лекций по ИИС, изданный
ЛПИ [Л. В-29]). В работах [Л. В-15—
В-17] незначительное место отведена
собственно ИИС. Имеются книги по
отдельным видам ИИС, например
[Л. В-26—В-28], по частным во­
просам проектирования таких си­
стем (см. библиографию по разде­
лам), по теоретическим основам ши­
рокого класса информационных си­
стем [Л. В-18, В-19].
Относительно большое количест­
во материалов по ИИС, методам их
анализа и проектирования опубли­
ковано в периодических и ведомст­
венных изданиях, трудах научнотехнических конференций и т. п.
Такое положение приводит к то­
му, что большое количество специа­
листов, создающих и эксплуатирую­
щих ИИС, преподаватели и студен­
ты соответствующей специальности
поставлены в затруднительное поло­
жение при поиске материалов, свя­
занных с ИИС.
В предлагаемой вниманию чита­
теля книге объединяются теоретиче­
ские основы получения измеритель­
ной информации с их приложением
к объяснению принципов действия
и проектированию основных разно­
видностей ИИС.
В этой книге не рассматривают­
ся системы телеизмерений и теле­
контроля, по которым имеются учеб­
ники и различные публикации
[Л. В-20—В-25].
Системы опознания образои (че­
рез количественное описание приз­
наков распознавания) и техниче­
ской диагностики кратко рассмотре­
ны в неразрывной связи с САК.
Основное внимание в книге уде­
ляется измерительным и контроль­
ным системам, по которым отсутст­
вует обобщающая литература, а так­
же перспективным вопросам их по­
строения на базе агрегатных комп­
лексов ГСП.
ЧАСТЬ П Е Р В А Я
ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ
ПОСТРОЕНИЯ ИИС
Создание ИИС следует рассмат­
ривать как сложный процесс, при
котором учитывается большое коли­
чество факторов и принимаются
разнообразные решения. Первосте
пенное значение, во многом предоп­
ределяющее успех проектирования
систем, имеет теоретическая база,
позволяющая получить обоснован­
ные решения, близкие к оптималь­
ным. К сожалению, такая теорети­
ческая база, необходимая для со­
здания ИИС, находится в стадии
становления.
Можно выделить теоретические
вопросы, которые необходимо ре­
шать при создании любой ИИС.
Остановимся- в этой части книги
именно на этих вопросах, сосредото­
чив изучение специфических вопро­
сов, связанных с созданием измери­
тельных и контрольных систем,
в остальных частях книги.
К таким общим вопросам в пер­
вую очередь необходимо отнести
классификацию ИИС (гл. 1), основ­
ные характеристики ИИС и их оцен­
ки (гл. 2). Помимо бесспорного ме­
тодологического значения эти мате­
риалы особенно важны в начальной
стадии проектирования систем—
стадии внешнего проектирования.
Мы считаем также полезным рас­
смотреть вопросы эффективности
ИИС и ее оценки (гл. 3) и, наконец,
основные понятия, связанные с пла­
нированием измерительного экспери­
мента (гл. 4), представляющие инте­
рес как для наилучшего применения
ИИС, так и для их проектирования.
Следующая группа общетеорети­
ческих вопросов построения ИИС
объединяет закономерности пре­
образования исследуемых величин
в ИИС. Сюда относятся закономер­
ности дискретизации и восстановле­
ния непрерывных величин (гл. 5),
преобразования исследуемых вели­
чин в сигналы при непрерывных и
импульсных видах модуляции (гл. 6)
и кодирования информации в ИИС
(гл. 7).
По существу эти вопросы от­
носятся к теории сигналов и доволь­
но хорошо исследованы. Но обой­
тись без их хотя бы краткого рас­
смотрения применительно к исполь­
зованию в ИИС, не нарушая целост­
ности материала книги, не представ­
ляется возможным.
Конечно, перечисленный круг
вопросов, рассматриваемых в этой
части книги, далеко не охватывает
общетеоретические материалы, не­
обходимые для выполнения рацио­
нального проектирования и созда­
ния ИИС. Однако, к сожалению,
уровень обобщения многих из этих
материалов пока не позволяет вы­
делить их в самостоятельные разде­
лы, имеющие общее значение для
всех ИИС. Поэтому, например, рас­
смотрение структур систем, особен­
ностей выполнения операций срав­
нения исследуемых и известных ве­
личин, особенностей обработки из­
мерительной информации и т. п.
в книге выполнено применительно
к каждой разновидности ИИС.
и
ГЛАВА ПЕРВАЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ ИИС
1-1. ВЫБОР КЛАССИФИКАЦИОННЫХ
ПРИЗНАКОВ
В настоящее время не существу­
ет сколько-нибудь полной и при­
знанной классификации ИИС. Бо­
лее или менее распространенным
является разделение ИИС по функ­
циональному назначению (измери­
тельные, контрольные, диагностиче­
ские и другие системы).
Классификация систем по прин­
ципу их построения выполняется за­
частую применительно к системам
частного вида, без осмысливания
общих закономерностей, присущих
всем оистемам. Так, имеются моно­
графии, в которых рассматриваются
развертывающие и сканирующие
системы, системы с многократным
и однократным использованием ка­
налов контроля, системы с комму­
таторами и т. п.
Достаточно полная классифика­
ция ИИС, основанная на четко
сформулированных принципах, мог­
ла бы оказать помощь в установле­
нии общих взглядов и выработке
общей терминологии, касающейся
ИИС, и в систематизации обшир­
ного материала по принципам по­
строения ИИС.
Основное условие эффективности
любой классификации — это рацио­
нальный выбор признаков, которые
позволили бы достаточно просто
описать всю систему классов и от­
нести рассматриваемый объект к оп­
ределенному классу.
При выборе классификационных
признаков ИИС целесообразно, ви­
димо, отвлечься от многочисленных
особенностей, определяемых узким
назначением оистем и их технологически-конструктивным исполнением.
В то же время число классификаци­
онных признаков должно быть ог­
раниченным, но достаточным для
характеристики основных разновид­
ностей ИИС.
По нашему мнению, в классифи­
кации ИИС должны быть отражены
прежде всего:
вид входных (исследуемых) ве­
личин;
вид выходной информации;
принципы построения систем.
Предлагаемая
классификация
построена по принципу разделения
области, характеризуемой призна­
ком, на две непересекающиеся под­
области.
Предполагается, что основные
варианты «бинарного» вида при
классификации реальных систем
могут дополняться их комбинация­
ми. Так, например, реально сущест­
вуют ИИС не только с последова­
тельным или hap аллельным, но и
с
параллельно-последовательным
выполнением операций получения
информации.
Необходимо отметить, что не­
смотря на важность знания метро­
логических характеристик ИИС вы­
бор их в качестве классификацион­
ных признаков связан с существен­
ными трудностями. Действительно,
все общие характеристики (погреш­
ность, быстродействие, надежность
и др.) являются количественными.
В пределах диапазона значений той
или иной характеристики можно
выделить ряд интервалов. Однако
сопоставление ИИС по их месту
в такой системе признаков (в осо­
бенности по бинарному принципу)
в общем случае весьма условно.
В самом деле, погрешность 0,5%
при лабораторных условиях работы
системы можно считать относитель­
но большой по сравнению с той >ке
погрешностью у системы, работаю­
щей в тяжелых эксплуатационных
условиях. Видимо, сопоставление
ИИС по количественным характе­
ристикам эффективно только для
ИИС с одинаковым, сравнительно
узким функциональным назначе­
нием.
Предлагаемый вариант класси­
фикации является первым и- безус­
ловно, имеет с'лабые места. Более
рациональная классификация мо­
жет быть создана после обсуждения
и критики ряда вариантов специа­
листами в области ИИС. Но и
в предлагаемом варианте классифи
кация представляется полезной, так
как позволяет вскрыть ряд общих
закономерностей построения ИИС и
сосредоточить внимание на
их
структурно-функциональных свойст­
вах.
1-2. КЛАССИФИКАЦИЯ ИИС ПО ВИДУ
ВХОДНЫХ ВЕЛИЧИН
В отличие от измерительных при­
боров ИИС может иметь на входе
большое количество однородных пли
разнородных по физической приро­
де величин (механических, электри­
ческих, тепловых и др.) и сопутст­
вующих им мешающих величин (по­
мех), имеющих различные динами­
ческие и частотные диапазоны и
другие данные. Естественно, учет
физических свойств входных вели
чин и их количественных характе­
ристик имеет большое значение при
создании и использовании ИИС.
Однако р общей классификации
ИИС, как уже говорилось, целесо­
образно сосредоточить внимание на
особенностях исследуемых величин,
определяющих принцип действия
ИИС с точки зрения системотехни­
ки. При рассмотрении соответст­
вующих разновидностей ИИС бу­
дут использоваться термины и з ме -
р я е м а я или к о н т р о л и р у е м а я
величина.
В табл 1-1 приведена классифи­
кация входных величин ИИС
Необходимо дать некоторые по­
яснения к классификационным при­
знакам исследуемых величин
1. Количество исследуемых ве­
личин i определяется суммой всех
(в том числе однородных) величин. При 1 ^ 2 входные величины могут
быть независимыми и взаимосвя
занными. Заметим, что взаимная
связь между исследуемыми величи­
нами может быть весьма разнооб­
разной.
2, 3. Исследуемые величины мо-(
гут изменяться во времени и быть
распределенными в пространстве по
различным законам. В этих случаях
можно говорить об исследуемых
процессах, временных или простран­
ственных функциях.
4. Исследуемые величины могут
иметь непрерывный или дискретный
характер (см. гл. 6).
5. Под активными подразумева
ются величины, способные оказы­
вать энергетические воздействия на
входные устройства системы без
привлечения дополнительных источ­
ников энергии. 1\ ним, например, от­
носятся электрический ток и напря­
жение, ионизирующие, световые,
тепловые излучения, механические
силы, давления и т. д.
К
пассивным — сопротивления
электрических цепей, механические
сопротивления,
твердость, жест­
кость и т. п.
Таблица
'
1-1
Таблица классификации входных величин
к>
п/п.
1
2
3
4
5
6
Классификационный признак
(Подклассы
2
/=1
Изменяющееся
Неизменное
Распределенное по
Сосредоточенное в
пространству ,
точке
Дискретные
Непрерывные
Характер величин
Пассивные
Активные
Энергетический признак
Помехи, связанные с
Независимые помехи
Смесь помех с исследуемыми
исследуемыми
величи
величинами
нами
Количество величин i
Поведение во времени t
Расположение в пространстве s
Основные разновидности входных величин
т а
Сосредоточенные и неиз­
менные измеряемые
величины
*
X
Величины, изменяющиеся Величины, распределешше
по пространству
во времени
X(t)
Х(*)
X ( t , s)
т а (о > .
l = \ , . . . ,/г,
№ },
/ = 1,
/2>2
т а т а .
i = \ , . . . , /2,
/г> 2
/2>2
/п=1 , . . . , п,
/2 > 2
т а т а . s)} ,
i— \ , . . . ,/г,
/г> 2
Дальнейшая детализация обла­
6.
В данном случае речь идет
сти использования ИИС может быть
о внешних по отношению к ИИС
проведена при рассмотрении вида
помехах. Часто они неотделимы от
выходной информации и других
исследуемых величин, так как физи­
классификационных признаков.
чески вызываются теми же явления- ;
ми. Разграничение их с изучаемыми
величинами во многих случаях свя­
1-3. КЛАССИФИКАЦИЯ ИИС ПО ВИДУ
зано со значительными трудностя­
ВЫХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ
ми. Помехи могут характеризовать­
Признаком, во многом опреде­
ся теми же признаками, что и из­
ляющим функциональное назначе­
меряемые величины; здесь же целе:
ние ИИС, является вид выходной
сообразно их разделить на незави­
информации (табл. 1-3).
симые от входных величин и с ними
В соответствии с табл. 1-3 ИИС
связанные.
можно разделить на измерительные
Классификационные признаки 1,
системы, системы контрольные, ди­
2 и 3 позволяют подойти к' ориенти­
агностические и опознания образов.
ровочному разделению областей ис­
На практике большое распростране­
пользования
различной
степени
сложности технических средств из­
ние имеют также смешанные системерительной информационной тех­
мы, например контроль но-из мер иники (ИИТ).
тельные.
С этих позиций в табл. 1-2 при­
Можно проследить связи между
ведены
основные разновидности
характером выходной информации
входных величин, характеризую­
и параметрами исследуемых вели­
щиеся их количеством i и числом
чин, с одной стороны, и внутренней
аргументов (t — время, 5 — прост­
структурой ИИС — с другой. Так,
ранственная координата).
например, при количестве исследуе­
Согласно этой таблице можно
мых взаимосвязанных величин i ^ 2
выделить несколько характерных
для получения результатов оценки
областей область измерения одной
каждой величины необходимо орга­
величины X реализуется, как пра­
низовать часто нетривиальные и не
вило, приборами; области измерепростые процедуры их раздельной
ния величии
X{t), X (s), {Х{}, оценки
{Xi(t)}, (см. гл. 17) С другой сторо­
{Ai(s)}, / = 1 n = 2, 3 . — при­
ны, при независимых величинах, ко­
борами и ИИС; области измерения
личество которых невелико ( ^ 2 0 ) ,
величин
,t(Xs) и {Xt (t, s)}, i = l . . . . регистрация их может быть произ­
n = 2, 3 ...- И И С .
ведена, положим, многоканальными
самопишущими приборами; если же
количество измеряемых величин ве­
лико и данные о каждой из них
нужно представить в цифровом ви­
де, то эти функции, как правило,
выполняются ИИС.
Классификационный признак 3—
«потребитель информации»—харак­
теризует автономность ИИС. Дей
ствптельно автономность предпола
тает выдачу, выходной информации
непосредственно от ИИС человекуоператору. Неавтономные ИИС яв­
ляются частями соответствующих
систем — АСУ, САУ и др.
Некоторого уточнения требует
вопрос о взаимоотношениях между
ИИС и вычислительными машина­
ми. С одной стороны, в состав неко­
торых ИИС входят довольно слож
ные устройства обработки информа­
ции, которые выполняют функции,
мало отличающиеся от функций,
выполняемых вычислительными ма­
шинами. С другой стороны, для ре­
шения ряда задач, например при
автоматизации научного экспери­
мента, контроле параметров интег­
ральных схем, контроле работоспо­
собности бортового радиоэлектроннрго оборудования в состав кон­
трольно-измерительных систем вво­
дят цифровые вычислительные ма­
шины. Это, главным образом, не­
большие ЦВМ и особенно так назы­
ваемые малые ЭВМ (см. гл. 29).
Вопрос
о взаимоотношениях
между измерительными устройства­
ми и ЦВМ необходимо решать не
путем механического или термино­
логического разделения «сфер влия­
ния». Более целесообразно исходить
из того, что, во-первых, существует
ряд задач, для решения которых из
технико-экономических
соображе­
ний необходимо использовать мето­
ды и средства и измерительно-ин­
формационной, и вычислительной
техники; во-вторых, возможны раз­
личные по применяемым методам и
техническим средствам варианты
решения подобных задач; в-третьих,
путем всесторонней оценки каждого
из предложенных вариантов мож­
но установить состав требуемых
средств
измерительно-информаци­
онной и вычислительной техники.
Пусть, например, при статиче­
ских испытаниях конструкций на
прочность требуется определить за­
висимости местных деформаций,
возникающих в некоторых сечениях
конструкции, от координаты вдоль
данного сечения при заданной на­
грузке.
Решать такую задачу можно поразному.
Можно измерять нагрузки, мест­
ные деформации в отдельных точ­
ках конструкции, фиксировать коор­
динаты точек, в которых произво­
дится измерение деформаций, по
результатам измерений вычислять
соответствующие параметры функ­
ции (например, коэффициенты ап­
проксимирующего полинома), отоб­
ражающей интересующую нас зави­
симость. Для вычисления коэффи­
циентов аппроксимирующей функ­
ции можно, например, использо­
вать универсальную ЦВМ, а для
измерения сил и местных деформаТаблица
1-3
Классификация видов выходной информации ИИС
№
п /п .
1
2
3
Классификационный признак
П одк л ассы
И зм ер и тел ьн ая инф орм а­
Х ар ак тер в ы ходной ин­
ция— им енованны е числа, их
формации
о т н о ш ен и я , графики и т . п.
Р езул ьт аты оценк и од н ого
С т еп ен ь обработк и вы­
пар ам етр а
хо д н о й информации
Ч ел о в ек -о п ер а т о р
П о тр еб и тел ь инф орма­
ции
К оли ч ествен н ы е с у ж д е н и я —
кон трольн ая и д и а гн о ст и ч ес­
кая информация
П ок азат ел и — ф у н к ц и он ал ьны е, с т а т и ст и ч еск и е и др .
ВМ, С А У , А С У
ций — соответствующие автоматиче­
ские измерительные приборы. В
этом случае можно четко разделить
средства измерительной информаци­
онной техники, с помощью которых
решается часть общей задачи, и
средства вычислительной техники,
решающие оставшуюся часть зада­
чи. Тогда ЭВМ можно, очевидно,
использовать и для решения других
задач (например,' для экономиче­
ских расчетов), и нет никаких осно­
ваний считать, что ЭВМ является
составной частью системы для опре­
деления деформаций (с таким же
успехом ЭВМ можно считать со­
ставной частью системы обработки
экономической информации).
'Для решения поставленной'за­
дачи можно использовать ИИС, ко­
торая на выходе давала бы интере­
сующую нас зависимость в виде ко­
эффициентов
аппроксимирующей
функции или (и) соответствующих
графиков. При таком варианте ИИС
полностью решает задачу, но для
вычисления коэффициентов в со­
став ИИС должно входить некото­
рое специализированное вычисли­
тельное устройство (цифровое или
аналоговое). Если под ВМ понимать
любое техническое устройство, пред­
назначенное для автоматизации вы­
числений, то, естественно, в данном
случае следует считать, что ИИС
содержит в своем составе ВМ (циф­
ровую или аналоговую). Однако та­
кая ВМ является специализирован­
ной (вычисляет по заданной про­
грамме только коэффициенты за­
данной аппроксимирующей функ­
ции) и ее вряд ли можно использо­
вать вне состава данной ИИС для
решения других вычислительных
задач.
Возможно и такое решение за­
дачи, когда часть вычислительных
функций выполняет ИИС (для чего
в ее составе должно быть предусмот­
рено соответствующее вычислитель­
ное устройство), а часть этих функ­
ций выполняет ЦВМ. Окончатель­
ный выбор того или иного варианта
определяется многими факторами:
16
наличием соответствующих средств
измерительной информационной и
вычислительной техники, возможно­
стями обеспечения их совместной
работы, сроками разработки и из­
готовления системы, эксплуатацион­
ными затратами, показателями на­
дежности и др. Однако совершенно
ясно, что в любом варианте реше­
ние задачи достигается совместным
использованием измерительных и
вычислительных средств, а разделе­
ние функций между ними опреде­
ляется выбранным вариантом.
Целесообразно подчеркнуть, что
в подавляющем числе случаев на
измерительную, контрольную и дру­
гие системы следует возложить вы­
полнение массовых, но относитель­
но простых операций обработки из­
мерительной
информации ’ (типа
фильтрации, простейших операций
сжатия).
(Здесь уместно отметить, что спе­
циалисты в области ИИТ большое
внимание уделяли и уделяют созда­
нию новых измерительных средств,
в которых совместно выполнялись
бы операции измерения и обработ­
ки информации. По существу ватт­
метры, . счетчики
электрической
энергии, мостовые измерительные
устройства, компенсаторы перемен­
ного тока, цифровые вольтметры
переменного тока и т. п. являются
устройствами, в которых * операции
измерения и обработки выполняют­
ся неразрывно. Больше того, если
проанализировать работу любого,
даже простейшего средства измере­
ния, то в нем всегда можно найти
операции обработки. Так, напри­
мер, электроизмерительные магни­
тоэлектрические приборы, как пра­
вило, выполняют операции фильтра­
ции и усреднения динамических со­
ставляющих, имеющихся в измеряе­
мой величине или накладывающих­
ся на нее.
В измерительных системах пря­
мые измерения часто объединяются
с обработкой результатов прямых
измерений для улучшения их метро­
логических качеств, с автоматиче-
ским вычислением функций одной
или нескольких переменных, с ап­
проксимацией
экспериментальных
кривых, получением измерительной
информации о значениях измеряе­
мой величины в недоступных точ­
ках и т. п. В системах автоматиче­
ского контроля, технической диаг­
ностики (см. ч..З) выполняются спе
пифические
задачи, решаемые
совместно средствами измеритель­
ной и вычислительной техники.
Имеется большое количество
книг и монографий, содержание ко­
торых направлено на обобщение от­
дельных разделов этой большой
проблемы в теоретическом плане,
например [Л. 1-1, 1-2], в плане рас­
смотрения отдельных видов специа
лизированных устройств, предназ
наченных для использования в ИИТ
[Л. 1-3—1-7, 1-10, 1-11]. Велик поток
периодической литературы по этой
проблеме [Л. 1-8, 1-9].
По существу нет ни одной книги
из области ИИТ, в которой в той
или иной мере не затрагивались бы
вопросы совмещения операций из­
мерения и обработки или создания
измерительных устройств, выпол­
няющих операции обработки.
Естественно, что рациональной
организации операций измерения й
обработки измерительной информа­
ции в ИИС должно быть уделено
значительное внимание.
1-4. ОБОБЩЕННАЯ
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ
СХЕМА ИИС
Прежде чем приступить к клас­
сификации принципов построения
ИИС, уместно рассмотреть обоб­
щенную
структурно-функциональ­
ную схему ИИС (рис. 1-1).
Обобщенная схема ИИС со­
держит:
I — множество первичных изме­
рительных преобразователей, раз­
мещенных постоянно в определен­
ных точках пространства или пере­
мещающихся в пространстве (ска2— 741
пирующего типа). Заметим, что в
дальнейшем вместо «первичный из­
мерительный преобразователь» ис­
пользуется термин «датчик»;
II—блок измерительных преобра­
зователей, который может состоять из
преобразователей аналоговой вели­
чины в аналоговую (в том числе уни­
фицирующих) , коммутаторов, ана­
логовых вычислительных устройств и
устройств памяти, каналов связи,
показывающих и регистрирующих
приборов; здесь и в дальнейшем
фигурные скобки вокруг блока ука­
зывают на наличие в ИИС множе­
ства однотипных блоков;
III — блок
аналого-цифровых
преобразователей (АЦП);
IV — блок цифровых устройств,
который
может
состоять и з '
устройств выдачи кодоимпульсных
сигналов, цифровых индикаторов и
регистраторов,
преобразователей
цифровой величины в цифровую,
цифровых вычислительных устройств,
каналов связи, цифровых запоми­
нающих устройств, цифро-аналого­
вых преобразователей, показываю­
щих и регистрирующих приборов.
Измерительная информация мо­
жет быть получена в аналоговом ви­
де в блоке II, а в цифровом — в
блоке IV.
Контрольные системы, системы
технической диагностики и опозна­
ния образов (через количественное
описание образов) могут; быть, так
же как и измерительные системы,
выполнены в двух вариантах, раз­
личающихся видом используемых в
системах сигналов. Для аналоговых
систем характерно присутствие бло­
ков /, II, блока
I содер
описание состояний объекта в виде
образцовых значений напряжений,
линейных размеров и т. п., и устрой-J
ства сравнения образцовых величин
с аналоговыми значениями контро­
лируемых величин. Затем получен­
ное количественное суждение в бло­
ке VI может преобразовываться
в кодоимпульсный
сигнал,
от­
ображаться
на
индикаторах
и т. д.
nr
Наконец, для получения инфор­
мации могут быть организованы
внешние воздействия на объект ис­
следования с помощью специаль­
ных источников (блок VIII)
Конечно, не во всякой И И С тре­
буется присутствие всех перечислен­
ных блоков; В каждом конкретном
случае количество блоков, состав
выполняемых ими функций и связи
между блоками должны устанавли1
ваться особо.
Уместно отметить, что ЭВМ мо­
гут взять на себя многие функции,
выполняемые в блоках II (аналого­
вые вычислительные 'машины), IV,
К VI VII.
Блоки /, каналы связи (блоков
IIt IV VI), унифицирующие устрой­
ства, блоки III, IIIA, показывающие
и регистрирующие устройства, из­
мерительные коммутирующие уст­
ройства в блоках II IV, VIII явля­
ются типичными устройствами ИИТ.
18
Выходная информация может ре­
гистрироваться с помощью цифро­
вого регистратора, обрабатываться
с помощью вычислительных уст­
ройств, преобразовываться, запоми­
наться, передаваться по каналам
связи.
Для цифровых систем контроля,
диагностики и опознания образов
(через эталоны) кроме блоков I, II,
III, IV характерно наличие блока V,
состоящего из цифрового устройст­
ва памяти, запоминающего цифро­
вое описание норм, и устройства
сравнения значений контролируе­
мых величин с описаниями норм,
а также блока VI.
Работой блоков системы управ­
ляет специальное устройство VII,
которое действует либо по заложен­
ным в нем программам, либо полу­
чает управляющие воздействия от
вычислительной машины или человека-оператора.
1-5. КЛАССИФИКАЦИЯ ИИС
ПО ПРИНЦИПАМ ПОСТРОЕНИЯ
В обобщенной структурно-функ­
циональной схеме ИИС (рис. 1-1)
показаны основные блоки ИИС и их
взаимосвязь. Далеко не всегда не­
обходимо использовать весь приве­
денный на рис. 1-1 состав блоков
в конкретных системах/ С другой
стороны, наличие некоторых узлов,
например канала связи ЭВМ, резко
изменяет и делает более определен­
ными требования к составу и функ­
ционированию систем. Нужно так
же иметь в виду, что для выполне­
ния одних и тех же функций могут
быть созданы системы, существенно
различающиеся по структуре и. ал­
горитму работы.
Вообще, число ’возможных струк­
турных вариантов систем при ука­
занном на рис 1-1 количестве функ­
циональных устройств будет очень
большим. Классифицировать
это
многообразие возможных структур
для ИИС в целом весьма затрудни­
тельно. Видимо, рационально рас­
смотреть структуры измерительных
и контрольных систем отдельно, в
соответствующих частях книги, вы­
делив основные функциональные
элементы этих систем. В этом слу­
чае можно прийти к относительно
небольшому количеству основных
структур ИИС. В общей же класси­
фикации ИИС целесообразно оста­
новиться на наиболее общих прин­
ципах построения ИИС (табл. 1-4).
Сделаем краткие пояснения к
классификационным признакам этой
таблицы.
1. Наличие специального канала
связи, служащего для получения ко­
личественной информации от объек­
та, находящегося на большом рас­
стоянии, приводит к необходимости
решения ряда специфических вопро­
сов. В соответствии с этим нужно
выделить специальный
подкласс
ИИС — ИИС дальнего действия.
2. В связи с развитием работ по
АСЭТ, АСВТ и другим агрегатным
комплексам ГСП (см. ч. 4) будет
увеличиваться доля унифицирован­
ных ИИС. К частично унифициро­
ванным ИИС следует отнести систе­
мы, работающие совместно с ЦВМ
или АВМ, -особенно в случае, если
на ЭВМ возлагаются некоторые
функции управления работой ИИС.
3. Выполнение последовательно
или параллельно операций получе­
ния информации во многом опреде­
ляет количество элементов системы,
быстродействие, надежность и т. п.
4. 5, 6. Введение адаптации ИИС
к исследуемым величинам, струкТаблица
1-4
Классификация принципов построения ИИС
N2
п /п .
Классификационный признак
1
Н аличие сп ециал ьного
канала
связи
Униф икация
состав а систем ы
(в том числе и устр ойств вычисли­
т ел ь н о й техн и к и )
П орядок вы полнения операций
получени я инф орм ации
С труктурная и инф орм ационная
избы точность
А д а п та ц и я к и ссл ед уем ы м вели ­
чинам
Н аличие контуров инф орм ацион­
ной о б р а т н о й связи
2
3
4
5
6
7
8
2*
Н аличие транспозиции скор остей
п ол уч ен и я и вы дачи информации
Сигналы, испол ьзуем ы е в И И С
П одк л ассы
О тсутствует
И м еет ся
Н еунифицированны й
У нифицирова нный
П оел е д о ва т ел ьный
П араллельны й
Безы збы точны е системы
И збы точны е
си стем ы
Н еадап ти в н ы е систем ы
А дап ти вн ы е
си стем ы
Р азом к н ут ы е систем ы
Б е з тран спозиции
р еал ьн ом врем ени )
А н алоговы е
(в
К ом п ен сац и он н ы е
(о д н о - и м ногокон турны е)
систем ы
С тр ан сп озиц ией
К одоим п ульсны е
турной и информационной избыточ­
ности с целью повышения надежно­
сти, помехоустойчивости, точности,
гибкости работы и т. п. типично для
•системотехники. Можно предпола­
гать, что дальнейшее развитие ИИС
во многом будет зависеть от реше­
ния этих вопросов.
7. Изменение скоростей получе­
ния и выдачи информации в ИИС
возможно главным образом при ис­
пользовании в ИИС запоминающих
устройств. Онр может быть, напри­
мер, применено для быстрого запо­
минания значений исследуемых ве■личин и медленной выдачи инфор­
мации, и наоборот.
8. От вида сигналов, используе­
мых в отдельных частях ИИС, в
значительной мере зависят состав
и характеристики блоков, входящих
в эти части.
1-6. ОБЩАЯ (УКРУПНЕННАЯ)
КЛАССИФИКАЦИОННАЯ СХЕМА ИИС
Приведенные выше классифика­
ционные схемы являются довольно
подробными. В ряде случаев целе­
сообразно ограничиться более про­
стой и наглядной классификацион­
ной схемой, содержащей только са-
мые существенные признаки. Такая
классификация ИИС дана в табл.
1-5. В случае, если перечисленных
в таблице признаков для конкрет­
ных задач недостаточно, можно об­
ратиться к более детальным класси­
фикационным делениям, изложен­
ным ранее.
Следует отметить, что представ­
ленная в табл. 1-5 укрупненная
кл а сси ф11к а щi я ИИС
учи ты ва ет
имеющиеся нормативные материа­
лы, относящиеся к отдельным типам
ИИС, различающимся по функцио­
нальному назначению и наличию
или отсутствию ' специальных кана­
лов связи.
В ГОСТ 16263-70 определяется
термин «измерительная система».
В ГОСТ 13629-68 . к цифровым
управляющим вычислительным ма­
шинам отнесены ИИС, связанные
с выполнением операций контроля
состояния управляемого объекта.
К таким ИИС в первую очередь от­
носятся машины централизованного
контроля.
В ГОСТ 16521-70 . выделены
устройства для телеизмерения и те­
лесигнализации положения и со­
стояния контролируемых величин.
1
Таблица
1-5
Общая (укрупненная) классификация ИИС
№
п/п.
• 1
2
3
4
5
6
7
Классификационный признак
Подклассы
Системы автоматического
Измерительные сис­
контроля, технической диагно­
темы
стики, . системы опознания об­
разов
Дискр етные
Непрерывные
Входные величины
Последовательные
Параллельные
Последовательность выполне­
ния операции получения инфор­
маций
Аналоговые
Кодоимпульсные
Сигналы в ИИС
Неавтономные ИИС
Автономные ИИС
Автономность ИИС
Неунифицированный
Унифицированный
Унификация состава системы
ИИС дальнего действия (те­
ИИС ближнего дей­
Наличие специального канала
леизмерительные информацион­
ствия
связи
ные системы)
Функциональное
ИИС
назначение
ГЛАВА ВТОРАЯ
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИИС И ИХ ОЦЕНКА
2-1. ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Измерительные информационные
системы предназначены для получе­
ния количественной информации
о состоянии объекта исследования и
выдачи ее потребителю. Следова­
тельно, ИИС как средство получе­
ния информации нужно рассматри­
вать в неразрывной связи с объек­
том исследования и потребителем.
Такое рассмотрение может позво­
лить правильно оценить процесс по­
лучения и использования количест­
венной информации и дать основа­
ние для выбора наиболее важных
характеристик ИИС, а также для
определения влияния их изменения
на получение информации. Под ха­
рактеристиками ИИС подразуме­
вается описание отдельных качест­
венных свойств, определяющих спо­
собность ИИС выполнять свое на­
значение.
Состояние объекта исследования
(рис. 2-1) с информационной точки
зрения может определяться величи­
нами, описывающими это состояние
О, подлежащими количественной
оценке
и изменению (регулиро­
ванию) (Ж
Будем считать, что совокупность
величин О, 0(4 0(2) конечна, 0<4> и
0(2) входят в О, кроме того, .СХ1) и
О*2) могут пересекаться. Выбор 0 (1)
и 0(2) определяется целевой функци­
ей Е у зависящей от последующего
использования. результатов коли­
чественной оценки состояния объек­
та исследования.
Состояние ИИС может характе­
ризоваться величинами:
X, подлежащими количественной
оценке с помощью ИИС (нужно
заметить, что эти величины могут
совпадать или не совпадать с 0(4
так как не все величины О*1) могут
быть измерены);
Y, мешающими, действующими
на ИИС;
Q, к которым относятся метроло­
гические, эксплуатационные и стои­
мостные характеристики ИИС
V, отражающими энергетиче­
ские и информационные аспекты
взаимодействия ИИС с объектом
исследования;
U, отражающими взаимодейст­
вие ИИС с потребителем;
Z — результатами
количествен­
ной оценки X.
Потребитель информации может
характеризоваться величинами:
I, определяющими его состояние,
которое изменяется при получении
от ИИС результатов количествен­
ной оценки состояния объекта ис­
следования; естественно учитывать
в I знание потребителем состояния
объекта исследования, полученное
ранее (1о);
J, определяющими решение, при­
нимаемое потребителем после изме­
нения I; для принятия решения
в этом случае должна быть извест­
на целевая функция использования
результатов количественной оценки
состояния объекта исследования.
Нам представляется, что именно
при переходе от I к- J может быть
определена ценность (полезность,
содержательность) информации, по­
лученной с помощью ИИС. Возмож­
ными решениями, принимаемыми
потребителем, могут быть решения,
Управляющие воздействия
Р и с. 2 1. И н ф ор м ац и он н ы е срязи о б ъ ек т а
и ссл ед о в а н и я , И И С и п от р еби тел ей и н ф о р ­
м ации.
связанные с изменением состояния
объекта исследования (через вели­
чины (X2)), режима работы, струк­
туры и функциональных особенно­
стей ИИС.
В общем случае перечисленные
величины представляются много­
мерными функциями времени и
пространства.
Процесс получения с помощью
ИИС и использования количествен­
ной информации может быть опи­
сан уравнениями
X=.<pi(OW 0(2) V);
(2-1)
Z = cp2(X, Y, Q);
(2-2)
I = (Di(Io, Z, U);
(2-3)
J=<D2(I, E).
(2 4)
Связь между измеряемыми вели­
чинами X и величинами 0W, 0<2), а
также V определяется оператором
(pi. Оператор ср2 определяется преи­
мущественно
элементной базой,
структурой и алгоритмом функцио­
нирования технических средств, опе­
раторы Ф-1 и Ф2— процессами про­
текающими при анализе и принятии
решения потребителем.
Рассмотрение зависимостей (2-3)
и (2-4) выходит за границы обла­
сти создания ИИС. Однако резуль­
тат этого рассмотрения необходимо
использовать для рационального
' построения и эксплуатации ИИС.
В большинстве случаев имеется воз­
можность в результате анализа за­
висимостей (2-3) и (2-4) -сформули­
ровать требования к процессу полу­
чения информации о состоянии объ­
екта исследования в виде, положим,
оценки эффективности действия си­
стемы в данной ситуации (см. гл.З).
Основные разновидности вели­
чин X были рассмотрены в гл. 1.
В настоящей главе остановимся на
определении характеристик собст­
венно ИИС, к которым относятся
Q, V, U, а также на выяснении свя­
зи между X и Z [формула (2-2)].
Характеристики ИИС Q, как это
уже отмечалось, включают метроло­
гические и эксплуатационные ха2 2
рактеристики, которые используют­
ся для всех средств информацион­
но-измерительной техники. Важней­
шими из них являются точность, ди­
намический и частотный диапазоны,
чувствительность, быстродействие,
надежность, сложность, стоимость,
масса, габариты и т. д., параметры
взаимодействия ИИС V с исследуе­
мыми объектом и U с оператором,
вычислительной машиной, управ­
ляющей системой, системой связи
и т. д. Эти частично закрепленные
законодательно характеристики раз­
рабатывались и устанавливались,
как правило, для одиночных прибо­
ров, исходя преимущественно из
концепции выполнения разовых про­
цессов получения количественной
информации. С развитием ИИС и
расширением практики их исполь­
зования ощущается недостаточность
имеющихся характеристик и их оце­
нок. Это в первую очередь опреде­
ляется усложнением выполняемых
ИИС функций и повышением ответ­
ственности за полученные количест­
венные оценки.
Далее в этой главе мы остано­
вимся на оценках «погрешности из­
мерительной системы, информаци­
онных оценках процесса получения
информации, возможностях получе­
ния комплексных
характеристик,
устанавливающих взаимосвязь меж­
ду основными характеристиками.
Выбор именно таких вопросов обу­
словливается их
первостепенным
значением для исследования и про­
ектирования ИИС, а также для
дальнейшего изложения материала.
2-2. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ИС
Под погрешностью понимают
степень близости результатов коли­
чественной оценки (результатов из­
мерения, контроля и т. д.) исследуе­
мых величин к их истинным значе­
ниям, выраженным в принятых еди­
ницах.
Рассмотрим для определенности
оценку погрешности применительно
к измерительным системам (резуль-
таты этого рассмотрения можно
распространить на вс<^ остальные
виды средств получения количест­
венной информации).
Примем следующую простейшую
модель процесса измерения. На
вход измерительной системы ИС
поступает
измеряемая величина
(процесс) X(t). Если бы отсутство­
вали внешние мешающие воздейст­
вия У(/), то выходная величина
Z (t) — результат измерения — была
бы равна Z( t) = S X (t ), где 5 — чув­
ствительность ИС (5 = const). При
наличии Y (t) выходная величина
Z(t)=q{X(t), Y(t), S]. Если X(t) и
У(t) независимы, то при S=^=const
Z( t)= [X(t)+Y(t)]S(t). •
На практике встречаются слу
чаи, когда Y (t) не аддитивна по от­
ношению к измеряемой величине.
Тогда выходная величина может
выглядеть, например,’ следующим
образом:
характер, то и погрешность измере­
ния следует рассматривать как слу­
чайный процесс Е. В большинстве
важных для практики случаев по­
грешность Е можно рассматривать
как
стационарный эргодический
случайный процесс или случайную
величину. Число Е, получаемое как
некоторое среднее этого случайного
процесса или величины, называют
систематической погрешностью, а
разность
Е—Е
(2-6)
— случайной погрешностью.
Наиболее полной характеристи­
кой погрешности Е вследствие воз­
можности ее статистической связи
с измеряемой величиной X является
условная плотность распределения
вероятностей f(&|х), которая теряет
условный характер и имеет вид /(е)
в частном случае при отсутствии та­
кой статистической связи. Условная
плотность распределения вероятно­
Z(*)=*(0Ii + y(0]S(0.
стей f(e\x) содержит всю необхо­
После получения результата из­
димую информацию для оценки по­
мерения
Z(t) необходимо оценить,
грешности, однако она не всегда из­
насколько он близок к истинному
вестна. Поэтому на практике ис­
значению измеряемой
величины.
пользуется некоторое количество
Определенное после измерения зна­
параметров
(показателей) этого
чение, измеряемой величины X*(t)
распределения так, чтобы эти пара­
в общем виде является функцией
метры в достаточной мере характе­
результата измерения
и вы­
ризовали погрешность исследуемой
бранной формы оценки погрешно­
системы.
сти измерения Е:
Определению и исследованию по­
грешностей измерения и средств из­
X* (t)= i|fZ (0 , Е]. (2-5) мерения посвящено большое коли­
чество литературы [Л. 2-1—2-3, 2-8—
Погрешность измерения Е вызы­
2-17, 2-42, 2-43 и др.].
вается, во-первых, неточностью из­
Далее в этом параграфе мы уде­
готовления аппаратуры, изменением
лим внимание основным формам
ее характеристик во времени, чувст­
оценки
погрешности
измерения
вительностью к неконтролируемым
(в рамках принятой модели) и воз­
внешним мешающим воздействиям
можным областям их -применения.
Y(t), а во-вторых, неточностью са­
В современной практике в каче­
мого метода измерения. В соответ­
стве оценок погрешности отдельных
ствии со сказанным можно разли­
устройств и измерительных систем
чать аппаратурную и методическую
наиболее широко применяются экс­
составляющие общей погрешности.
тремальные оценки, интегральные
Так как факторы, вызывающие» по­
оценки и оценки, основанные на
явление погрешности измерения,
применении доверительных интерва­
лов и вероятностей.
вообще говоря, имеют случайный
К экстремальным оценкам по­
грешности относятся:
модуль максимального отклоне­
ния
Смаке —| X—Z | г
модуль максимальной
тельной погрешности
3: I
(2-7)
относи­
X(^2- 8)
модуль максимальной приведен­
ной погрешности
5
___ I X
JnP'
Z |макс
(2-9)
Для определения доверительной
вероятности по заданному довери­
тельному интервалу в общем случае
необходимо знание плотности рас­
пределения погрешности f(e):
рд= ] / М Л .
(2-13)
—е0
В частности, для нормального
закона распределения:
р{IЁдI < о} = 0,68; Iед | < 2а} = 0,95;
р{|ед| < За) = 0,997.
Если кривая плотности распре­
деления
погрешности неизвестна, на
К интегральным оценкам по­
известна
ее дисперсия ДЕ], то при
грешности (если х и z — случайные
Л4[Е]
=
0
можно найти верхнюю
величины) относятся:
оценку
доверительной
вероятности»
средний модуль отклонения
воспользовавшись неравенством Че­
^ J
f
(х,)г|
х — |z бышева: dz2( -10)
p ; > l - D [ E ] /а2д.
(2-14)
—00—СО
средний модуль относительной и
Оценка неравенством Чебышева
приведенной погрешности
дает завышенные значения довери­
00
00
тельных вероятностей, особенно для
\X — Z |
•'
dxdz
малых отношений ед/ Y'D [Е] [Л. 2-3]j j и*. *>
- 00—00
При выборе допустимых погреш­
(2-U)
00
00
ностей отдельных устройств или си­
Г Г f(x, *макс •clx dz\
стем, а также для их сравнения
J J
в ряде случаев широко используют­
—00—00
ся так называемые функции штра­
среднеквадратичное отклонение
фа (потерь). Функция штрафа оп­
ределяет размер штрафа, налагае­
dx dz
•= } / J J f(x,
мый в случае наличия разницы
между истинным значением изме­
( 2- 12)
ряемой величины и результатом из­
или дисперсия
мерения [Л. 2-4, 2-5, 2-44, 2-45]. Ра­
со со
зумными требованиями к функции,
D [Е] = j’ j f (x, z) (x — z)~ dx dz.
штрафа могут быть [Л. 2-4]:
а) любая "погрешность «обла­
—00 —со
гается»
штрафом:
Под знаком интеграла в качест­
ве сомножителя стоит выражение
и (я, г) > 0 ;
(2-15а)
совместной плотности распределе­
ния вероятностей измеряемой вели­
б) в случае отсутствия погреш­
чины X и результата измерения Z.
ности штраф равен иул?о:
Оценки погрешности, основанные
к(х, * )= 0 ;
(2-156)
на применении доверительных ин­
тервалов и вероятностей, позволяют
в) большие отклонения г от х
определить, с какой вероятностью
«облагаются»
большим штрафом,
Рд погрешность системы |ед| не вы­
т. е.идля x^ZZi^Zz
ходит за заданные пределы ± в 0.
х(х, zi)<z:x(x, z2).
(2-15в)
р { | Е д | < е о } = рд.-
В качестве функции штрафа
наиболее часто используются раз­
личные оценки погрешности, взве­
шенные соответствующими коэффи­
циентами К), напримерфункции
штрафа
связанные
с экстремальными критериями:
jXj (л:, 2)— K i \ x
х,(1> (л:, z) = Ki
IX
|чакс;
2 |
маке (
X
’
Х,(2) (х, 2) = /С, \X Z[макс .
•^макс
функции штрафа, связанные с квад­
ратичными отклонениями:
( 1)
К
(х, z)
Х2(Х, Z) ^ К 2(х— 2)2;
К2 (*-*)*
Для характеристики средства из­
мерения нужно задать условную
плотность вероятностей f( z \x ) ре­
зультатов измерения 2. .при фикси­
рованном значении измеряемой ве­
личины х. Считается, что при изме­
рении величины X, имеющей плот­
ность распределения вероятностей
f(x), измерительная система 1 не
хуже измерительной системы 2 по
критерию G, основанному на функ­
ции штрафа Xj(x, г), если
ОО 00
J J кз(х, z ) f 1(x, z ) d x d z <
—00—00
00 00
< j J Xj(x, 2)ft (x, z)dxdz. (2-18)
—00 —00
При оптимизации измерительных
систем в качестве критерия опти­
х3(х,
z)= /Сз{1—ехр[—I
у
.(х —2) 2]}; используют средний риск,
мальности
добиваясь minmin G(x, z) (минилогарифмическая функция штрафа
минный критерий) или minmax
G(x, z) (минимаксный критерий).
X*
(X
z ) = ATi[— l o g
Последний критерий применяется
Функции штрафа могут исполь­
тогда, когда должна быть гаранти­
зоваться и при контроле; например,
рована минимальная погрешность
такого вида:
при любых законах распределения
если | лс — г | > б0;
вероятностей f{x).
2) =
Рассмотрение оценок погрешно­
О, ёсли |
х — z | ^ е0.
сти приводит к ряду вопросов: нель­
зя ли обойтись для ИС какой-либо
Заметим, что эта функция штра­
одной разновидностью оценки по­
фа не подчиняется сформулирован­
грешности, если нельзя, то когда не­
ным ранее требованиям.
обходимо или, по крайней мере, же­
Так как в общем случае и —
лательно применять ту или иную
случайные величины, то и функция
оценку?
штрафа является случайной величи­
Исследования показали, что уни­
ной. Можно произвести усреднение
версальных оценок, пригодных для
функции штрафа при фиксирован­
сопоставления между собой различ­
ном значении Хг (так называемый
ных ИС, не существует. Можно по­
условный риск):
00
казать, что, пользуясь даже одной
оценкой, одно и то же средство из­
g (Xi,
z) = j Xj (xit г) / (2 1
мерения можно признать лучшим и
худшим, чем другое, в зависимости
(2-16)
от вида закона распределения ве­
и для всех возможных значений х
роятностей измеряемой величины.
и 2 (так называемый средний риск):
Рассмотрим гипотетический случай
00
00
[Л.
2-4]: один измерительный при­
G (х,
z) = J j* xj ( , z) f (jc, 2) X
бор П1 содержит два деления, дру­
—00—00
гой #2 — три (рис. 2-2). Положим,
X dx dz.
(2-17)
учитывается только погрешность
экспоненциальная функция штрафа
1
п, I----------1----1
------ L
0
12
П,\-------1------ H— ■
—U
z0
61617 24
Рис. 2-2. К сравнению при­
боров /7, и П2.
квантования и приборы оценивают
ся по функции штрафа
к(х
z) =К (х—
(2-19)
Если плотность распределения
вероятностей измеряемой величины
равномерна по всей шкале от 0 до
L, то прибор Я2 лучше прибора i
при условии f(x) = \JL по критерию
G. Если же / (х) представляется
б-функцией в. точке ^ L, как это
показано на рис. 2-3, и показания
прибора относятся к середине де­
ления, то
X, (X,
Z)
242 »
х2(х, г) = к ~
и, следовательно, прибор Я2 хуже
IJi по критерию G при условии
Здесь уместно назвать некото­
рые разумные области использова­
ния тех или иных оценок.
Так, например, экстремальные
оценки целесообразно использовать
в таких случаях, когда важйо оце­
нить, насколько результаты измере­
ния могут отклониться от действи­
тельного значения. Такие оценки
важны при исследовании, положим,
процессов, проходящих вблизи ава­
рийных ситуаций, при исследовании
предельных значений прочности си­
ловых конструкций и т. п.
Для оценки погрешностей изме­
рения, предположим, количества вы­
пускаемой продукции при непрерыв­
ном производстве или вообще для
оценки ИС в среднем правомерно
использовать интегральные оценки
и оценки, основанные на примене26
нии доверительных интервалов и ве­
роятностей.
Таким образом, можно утверж­
дать, что соответствующие оценки
погрешности должны выбираться
в зависимости от характера изме­
ряемой величины, от целей исполь­
зования результатов измерения и
свойств измерительной системы.
2-3. ПОЛНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ ИС
Очень важной и сложной зада­
чей является определение полной
погрешности ИС по характеристи­
кам погрешности ее отдельных
звеньев.
В этой задаче можно выделить
два предельных случая:
1) определение полной погреш­
ности одноканальной (последова­
тельной) многозвенной ИС;
2) оценка погрешности ИС мно­
гоканальной (параллельной) струк­
туры.
Вопросы определения полной
погрешности ИС смешанной парал­
лельно-последовательной
структу­
ры в настоящее время разработаны
пока мало и здесь не рассматрива­
ются. В качестве примера намечаю­
щихся подходов к этой задаче мож­
но сослаться на [Л. 2-13].
Наиболее разработанной явля­
ется задача определения полной
статистической погрешности много­
звенных последовательных измери­
тельных систем. Методы, применя­
емые для ее решения, зависят от
того, в какой форме заданы по­
грешности отдельных звеньев, зада-
ны ли их законы распределения или
заданы только некоторые числовые
характеристики частных погрешно­
стей.
Рассмотрим применяемые в на­
званных случаях методы
Если известны аналитические
выражения для законов распреде­
ления
погрешностей
отдельных
звеньев и система линейна, то зада­
ча может быть решена с помощью
методов свертки или с использова­
нием характеристических функций
[Л. 2-3, 2-6, 2-17].
Пусть, например, Ei и Ег — слу­
чайные функции погрешности двух
соседних звеньев, а /(е i) и /(е2) —
их плотности распределения. Тогда
в случае, если эти погрешности не­
зависимы,
закон
распределения
суммарной погрешности E ij2 этих
двух звеньев находится с помощью
свертки исходных плотностей
со
/(e ll2) = / / ( e i ) X
СО
X/(e-i,2—ei)dei.
(2-20)
Применяя последовательно опе­
рацию свертки п—1 раз, где п — ко­
личество звеньев, получим закон
распределения полной погрешности
системы.
Использование метода характе­
ристических функций заключается
в следующем. По теореме умноже­
ния [Л. 2-17]. характеристическая
функция суммы независимых слу­
чайных величин определяется как
произведение их характеристиче­
ских функций, т. е. в нашем случае
£од=Ги
(*’)> (2-2i)
1
где
£(Яг-) = М [е‘Ь‘] =
J вЛ*7
— 00
—характеристическая функция пог­
решности /-го звена; g (Ху) — харак­
теристическая функция суммарной
погрешности системы.
Выполнив затем обратное пре­
образование [Л. 2-17], можно най­
ти закон распределения полной по­
грешности f (ev) системы.
Следует отметить, что инженер­
ное решение задачи определения
полной погрешности данными мето­
дами в большинстве случаев может
быть получено лишь после преодо­
ления серьезных трудностей, свя­
занных с вычислением многомер­
ных интегралов.
В настоящее время в связи с не­
прерывно увеличивающимися воз­
можностями вычислительной техни­
ки все большее значение приобре­
тает развитие методов решения
задачи определения полной погреш­
ности, основанных на математиче­
ском моделировании. К ним отно­
сятся метод статистических испы­
таний (СИ) и метод деревьев логи­
ческих возможностей (ДЛВ). Оба
^ метода позволяют определить за­
кон распределения полной погреш­
ности как в случае, когда законы
распределения
погрешностей Ьтдельных звеньев заданы аналитиче­
ски, так и в случае, когда эти зако­
ны заданы в виде гистограмм.
Метод СИ является более раз­
работанным и известным методом,
чем метод ДЛВ. Сущность исполь­
зования метода СИ для определе­
ния полной погрешности ИС заклю­
чается в следующем. Законы рас­
пределения случайных первичных
погрешностей формируются с по­
мощью специальных генераторов
или алгоритмическим путем. Осу­
ществляя многократный перебор
случайных сочетаний значений пер­
вичных погрешностей и определяя
каждый раз полную погрешность,
можно по результатам испытаний
воспроизвести закон распределения
полной погрешности ИС. Принци­
пиально метод СИ не менее точен,
чем аналитические методы расчета,
но для получения высокой точности
определения полной погрешности
он требует перебора весьма боль­
шого количества случайных сочета­
ний первичных погрешностей.
Использование метода ДЛВ для
определения полной погрешности
многозвенных ИС менее известно,
поэтому представляется целесооб­
разным остановиться на этом мето­
де более подробно. Сущность мето­
да ДЛВ заключается в следующем
[Л. 2-11, 2-16]. Пусть имеется не­
которое пространство логических
возможностей. В этом пространстве
может быть построено так называ
емое дерево, представляющее собой
связный граф, в котором нет ни
одного контура. Каждой ветви де­
рева приписывается некоторая ве­
роятностная мера, представляющая
собой безусловную или • условную
вероятность получения отдельных
первичных погрешностей или воз­
можного сочетания различных пер­
вичных
погрешностей.
Законы
распределения погрешностей при ис­
пользовании метода ДЛВ представ­
ляются в виде дискретной последо­
вательности возможных значений
первичных ошибок е, каждому из
которых приписывается определен­
ная вероятность (см. рис. 2-3). Лю­
бое отдельное сочетание случайных:
значений
различных
первичных
погрешностей представляет собой
реализацию, вероятность которой
определяется
вероятностями вы­
бранных значений первичных по­
грешностей. Каждая полученная
описанным образом реализация об­
разует вполне определенный путь
в ДЛВ, и для нее сравнительно лег­
ко определить вероятность.
Разберем на простейшем приме­
ре, заимствованном из [Л. 2-16],
графический
способ
построения
ДЛВ Предположим, что рассмат­
ривается система независимых слу­
чайных величин а, Ь, с, каждая из
которых может принимать несколь­
ко дискретных случайных значений
aif bj ch (например,i = j = k = l , 2,3)
с заданными вероятностями раt>
ръ,
В дальнейшем для простоты
вместо ait bj, ck будем писать i, j, k.
Для независимых случайных ве­
личин процесс построения ДЛВ
В общем случае изложенным
образом может быть построена схе­
ма ДЛВ с ветвями m-го ранга или
составлена эквивалентная ей таб­
лица. *При этом если через nL обо­
значить число дискретных значений
величины с номером /, торШ [/] PiAi случайной
№=
число путей в ДЛВ окажется рав­
ным:
можно начать с любой из них и
в произвольной последовательно­
сти. Вероятность появления каждой
из возможных реализаций может
быть записана так:
р [* Л / Л
k]=
— PiPi, 0P i. i. ft-
Последние
два сомножителя
в приведенном выражении последо­
вательно указывают
выбранный
путь на ДЛВ. В более общем слу­
чае, когда случайные величины ста­
тистически зависимы, вероятности
p ifj и pi,j,k являются условными.
ДЛВ, построенное для рассматри
ваемого случая, изображено на
рис. 2-4.
Точка О на рис. 2-4 называется
корнем дерева. Отрезки прямых pi
называются ветвями первого ранга,
отрезки прямых pij — ветвями вто­
рого ранга, отрезки прямых pij.ft—
ветвями третьего ранга. При по­
строении ДЛВ’ ветви в-сех рангов
откладываются в едином масштабе,
поэтому схеме ДЛВ присуща опре­
деленная наглядность. По ветвям
наивысшего ранга можно опреде­
лить число логических возможно­
стей. Для рассматриваемого приме­
ра их количество jV= 27.
Вместо изображенной на рис. 2-4
схемы ДЛВ можно составить экви­
валентную таблицу, в которой отра­
жены возможности каждого из пу­
тей дерева (табл. 2-1).
Таблица
Л оги ­
ческий
путь
Oi 11
0 \ 12
Вероят­
ность
Л оги ­
ческий
путь
P i 11
02 1 1
02 12
01 22
Р 1 12
Р\ 1 3
Р\ 2 1
Р\ 2 2
02 2 1
02 2 2
0 123
/>12 3
02 2 3
0\ 1з
0\ 21
02 13
0| 31
Pi 3 1
02 3 1
0132
Pi 32
02 3 2
01 33
Pi 3 3
02 3 3
Вероят­
ность
Р'2 1 1
Р2 1 2
Р2 1 3
Р2 2 1
Ро 2 2
Р2 2 3
Р2 3\
Р2 3 2
Р2 3 3
Л оги ­
ческий
путь
03 11
03 12
03 13
03 2 1
03 2 2
03 2 3
03 3 1
03 3 2
03 3 3
2-1
Вероят­
ность
Рз 1 1
РЗ 1 2
Рз 1 3
Рз 2 1
Рз 2 2
Р3 2 3
Р зз\
РЗЗ 2
Р ззз
N = П Лг*
i=\
где L — число случайных величин..
Сами пути будут иметь вероят­
ности, определяемые выражениями
ПаX •'
Р ПуХ Pnlt
• ’X
nxti%...nL
р Ш
Р rtjrta
Х
...
Jijjt
р
Ш Х *
X
p W l)
в зависимости от того, являются ли
случайные величины связанными
или независимыми в статистиче­
ском смысле.
При относительно большом ко­
личестве случайных величин или их
дискретных значений можно огра­
ничиться одной табличной формой
записи ДЛВ, а расчеты вероятно­
стей различных логических путей
проводить с помощью ЭВМ. По ре­
зультатам этого расчета может
быть построена гистограмма рас­
пределения результирующей сум­
марной величины.
Как показано в работе [Л. 2-16],
метод ДЛВ может успешно исполь­
зоваться для анализа погрешностей
не только линейных, но и нелиней­
ных систем, а также для случдев,
когда случайные погрешности' от­
дельных звеньев представляют со­
бой не случайные величины, а слу­
чайные функции.
До сих пор речь шла о нахожде­
нии полной погрешности многозвен­
ной измерительной системы по из­
вестным законам распределения.
Как же следует поступать в тех
случаях, когда частные погрешно­
сти заданы в виде некоторых число­
вых характеристик?
Если отдельные звенья ИС оха­
рактеризованы экстремальными по­
грешностями, то полная погреш­
ность системы определяется про­
стым суммированием этих погреш­
ностей. Естественно, такая оценка
полной погрешности будет очень за­
вышена.
Оценка полной погрешности мо­
жет быть получена, если частные
погрешности отдельных звеньев за­
даны интегральными оценками или
доверительными интервалами и ве­
роятностями. Методика определе­
ния полной погрешности для этого
случая рассмотрена в работах
[Л. 2-1,2-2, 2-3, 2-8, 2-13, 2-14, 2-18,
2-40]. Несмотря на некоторое различие в подходе названных авто­
ров к этой задаче, по результатам
проведенного ими анализа можно
сформулировать некоторые выводы.
Полная систематическая погреш­
ность многозвенной линейной ИС
находится суммированием система­
тических погрешностей отдельных
узлов (если, конечно, известны дей­
ствительные систематические по­
грешности узлов, а не их довери­
тельные интервалы, в последнем
случае можно получить грубую
верхнюю оценку), а дисперсия слу­
чайной погрешности при условии
некоррелированности погрешностей
отдельных звеньев — как сумма дис­
персий погрешностей звеньев (в слу­
чае, если погрешности некоторых
звеньев коррелированы между со­
бой, к сумме дисперсий добавляют­
ся удвоенные корреляционные мо­
менты *соответствующих погрешно­
стей). При суммировании вводятся
весовые коэффициенты, зависящие
от схемы включения звеньев и опре­
деляемые как частные производные
от выходной величины системы по
величине на выходе данного звена.
В том случае, если заданы не дис­
персии случайных погрешностей
отдельных звеньев, а их довери­
тельные интервалы, для определе­
ния полной погрешности необходимо
знание законов распределения ча
стных погрешностей. По известным
30
законам распределения частных по­
грешностей, доверительным интер
валам и вероятностям можно найти
дисперсии, а затем полученные дис­
персии суммировать.
Если же законы распределения
частных погрешностей неизвестны
и заданы только их доверительные
интервалы то расчет полной по­
грешности становится крайне за­
труднительным Из-за этого в каче­
стве критерия погрешности отдель­
ных звеньев предпочтительнее ис­
пользовать среднеквадратичное от­
клонение или дисперсию.
В заключение скажем несколько
слов о погрешности, с которой мо­
жет определяться полная погреш­
ность системы. В зависимости от
решаемых задач эта погрешность
должна быть выбрана разной. Как
показано в работе [Л. 2-1], в обыч­
ных случаях эта погрешность может
составлять примерно 30%' макси­
мального значения результирую
щей погрешности.
Вопросы оценки погрешностей
ИС многоканальной (параллель­
ной) структуры в настоящее время
разработаны недостаточно. В каче­
стве одного из возможных подхо
дов к решению этой задачи можно
сослаться на статистические мето­
ды такого рода оценки, рассмотренные в работе [Л. 2.-1]. Так, напри­
мер, систематическая погрешность
системы находится как среднее си­
стематических
погрешностей Et
каждого из N каналов.
Среднее значение случайной по­
грешности в каждом из N одинако­
вых каналов должно быть рав­
но нулю, поэтому равно нулю и
среднее значение случайной по­
грешности системы в целом. Дис­
персия случайной погрешности си­
стемы равняется среднему значе­
нию дисперсий случайной погреш­
ности Д[Е] в каждом канале.
Если в системе не все каналы
однородны, а имеется несколько
различающихся между собой групп
однородных каналов, то такие сред­
ние показатели могут формировать-
ся для каждой группы в отдель­
ности.
Значительный интерес при про­
ектировании ИС представляет об­
ратная задача оценки погрешности
ИС, а именно задача распределе­
ния отдельных частных погрешно­
стей по звеньям так, чтобы резуль­
тирующая погрешность не превос­
ходила определенного значения.
В общем случае решение такой
задачи неоднозначно.
Остановимся несколько подроб­
нее -на результатах решения одной
из модификаций обратной задачи,
изложенных в работе [Л. 2-2]. Ме­
тод решения, предлагаемый в этой
работе, основан на минимизации
затрат:
5
=S
(2-22)
{c£~q + c ah£i)
i= 1
где с £ ~ ч — затраты на уменьшение
погрешности /-го узла; Coh&i— по­
тери при эксплуатации системы за
счет наличия погрешности /-го узла;
£г — некоторая оценка частной по­
грешности /-го узла; С\ — удельные
затраты на снижение погрешности
/-го узла; hi — коэффициент влия­
ния частной погрешности /-го узла
на результирующую погрешность
системы; Со — коэффициент, связы­
вающий потери при эксплуатации
системы за счет наличия погрешно­
сти i-.ro узла; N — количество узлов
в системе; q — некоторый эмпири­
ческий коэффициент, q > 0.
Оптимальные значения погреш­
ностей узлов ■£*, минимизирующие
(2-22), определяются как
'•=(-§г)''<ии- <2-23>
Необходимо оговориться, что
при проектировании коэффициенты
со, c it hi зачастую неизвестны. Осо­
бенно трудно получить значение с0.
Не располагая значением с0, задачу
оптимального распределения част­
ных погрешностей £г* можно решать,
если известно, каким значением
ограничена сверху сумма допусти­
мых затрат на уменьшение погреш­
ности. Для этого случая и при q= 1
(т. е. затраты принимаются обрат­
но пропорциональными погрешно­
стям) получено выражение
(2-24)
N
гДе £ о б щ = 2
заданная оценка
i=i
полной погрешности системы.
Результат показывает целесооб­
разность распределения частных
погрешностей при ограниченных
средствах на их снижение пропор­
ционально весовым коэффициентам1
V cklhk, характеризующим факти­
чески эффективность
вложений
с целью снижения каждой ошибки.
При проектировании чаще всего
приходится встречаться с ситуаци­
ей, когда часть узлов уже выбрана
или, по крайней мере, известно, что
погрешность каких-либо узлов огра­
ничена определенным значением.
Принципиально, прибегая в случае
необходимости к тем или иным
упрощениям, всегда можно объеди­
нить выбранные узлы в один, по­
этому в дальнейшем речь идет об
одном известном узле, например
с номером N.
Далее выбирая £»•(/ = 1, 2. . .
. . . , N—1) при заданном £л-, будем
опираться на соотношение
£общ^ £jv,
т. е. будем считать, что полная по­
грешность системы не окажется
меньше погрешности заданной ее
части.
При этих условиях формулу
(2-23) для оптимального значения
погрешности остальных узлов мож­
но переписать так:
.
( hN
(2-25)
—
cN )
i = 1, 2, . . . , N — l.
Если даже неизвестны абсолют­
ные значения удельных затрат на
снижение погрешности, но удается
оценить отношения удельных затрат
Ci/cN, то формула (2-25) и в этом
случае дает решение задачи о наи­
более выгодных погрешностях t,i
выбираемых узлов. Но это реше­
ние, очевидно, найти нельзя, если не
удается оценить отношения 'cJ cnОдин из применимых в таком
случае эвристических подходов, крторый можно назвать «экономным»
предполагает необходимость счи
таться ,с затратами на повышение
точности узлов, несмотря на отсут­
ствие сведений о связи этих затрат
с повышением точности. При этом,
если отсутствует иная информация,
можно допустить, что узлы в смыс­
ле удельных затрат на уменьшение
погрешности равноценны (С{ = cn) ,
откуда находим.
Из (2-26) следует, что при рав­
ном вкладе погрешностей 'узлов
в полную погрешность
«экономный»
подход ‘приводит
к известному принципу выравнива­
ния частных погрешностей. Однако
при различных вкладах hi погреш­
ностей узлов дело обстоит сложнее.
Равенство всех вкладов ошибок
узлов в полную погрешность оказы­
вается выгодным только при q— ^0,
т. е. при пренебрежимо малой ве­
личине удельных затрат, необходи­
мых для снижения погрешности
Ближе к реальности показатель
q= 1, тогда
'< = «.,
<2'27)
Другой подход, который можно
назвать «страховочным» игнориру­
ет затраты на снижение погрешно­
стей в выбранных узлах, подчиня­
ясь стремлению уменьшить до ра­
зумного минимума их дополнитель­
ный вклад
Ь>=Бобщ —
(2-28)
в полную погрешность.
Величину lo можно установить,
руководствуясь одним из несколь32
ких альтернативных принципов, ко
торые широко применяются на
практике из интуитивных сообра­
жений.
Чаще всего основываются на
принципе, который можно назвать
принципом несущественного вкла­
да. Этот принцип заключается
в том, что допустимый дополнитель
ный вклад £0 назначается как неко­
торая часть r = t o/yv от заданной
ошибки £дг, причем такая, что зна­
чение г можно считать несуществен­
ным по сравнению с единицей. На­
значенную' дополнительную погреш­
ность £о=rt)K можно распределить
между выбираемыми N—1 узлами
по принципу равных погрешностей,
равных вкладов, либо, наконец,
пользуясь «экономным» подходом.
При проектировании иногда при­
ходится сталкиваться также с мно­
гомерным случаем, когда заданы
N0 узлов, каждый из которых вно­
сит погрешность Xik в соответствую­
щую k -ю операцию, и предстоит
выбрать погрешность
добавля­
ющуюся к погрешностям £ifc в k-й
операции. Для охарактеризованно­
го случая можно предложить прин­
цип пропорционального вклада, за­
ключающийся в соблюдении соот­
ношения
£ ь = я,
(2-29)
bib
где X— постоянная, одинаковая для
всех k = 1, . . . , Со­
отношение а может быть назна­
чено по принципу несущественного
вклада, если на возможность сни­
жения погрешностей
не налага­
ются никакие ограничения, либо
исходя из имеющегося ресурса до­
пустимых затрат. Если при проек­
тировании имеются соображения,
по которым желательно уменьшить
ПОЛНУЮ
ПОГреШИОСТЬ
ft
для некоторых k, то эти соображе­
ния могут быть учтены назначени­
ем различных л, так что (2-29) мо­
жет быть выражено в виде
Iй
bib = А*.
(2-30)
Выбор между, «экономным» и
«страховочным» подходами опреде­
ляется взглядами проектировщика
на соотношение между требовани­
ями эффективности ИИС и допу­
стимости затрат на нее Возможен,
по-видимому, и компромиссный под­
ход, в котором погрешности узлов
назначаются в промежутке между
теми,
которые
предписываются
«экономным» и «страховочным»
подходами
Для примера рассмотрим самый
простой случай, когда все hi рав­
ны между собой. «Экономный»
подход в этом случае означает, что
погрешности искомых узлов прини­
маются равными заданной, а «стра­
ховочный» подход при использова­
нии к примеру, оценки погрешно­
сти в виде среднего квадрата £г-=
= Е2г и с применением принципа не­
существенного вклада, — что £о~
« 0 .1 U т. е.
0,зУ Щ
Совершенно очевидно, что при­
веденные соображения далеко не
исчерпывают проблему распределе­
ния погрешностей по звеньям при
проектировании ИС.
2-4.
О Ц Е Н К А
К О Л И Ч Е С Т В Е Н Н О Й
И Н Ф О Р М А Ц И И ,
П О Л У Ч А Е М О Й
С
И С
П О М О Щ Ь Ю
Существует
довольно
много
определений термина «информа­
ция», но нет общепринятого. Это,
видимо, может быть объяснено
большим разнообразием видов ин­
формации, отвечающим различным
целям ее получения, передачи и ис­
пользования. Мы остановимся на
таком определении этого термина,
которое удовлетворяет потребно­
стям дальнейшего изложения мате­
риала. Так, например, А. А. Харкевич в своих трудах по общей тео­
рии связи понимал под информа­
цией сведения, сообщения, данные,
которые необходимо передать по
каналу связи.
В
измерительно-информацион­
ной технике (ИИТ) основная проб3 -7 4 1
лема состоит в получении опытным
путем
количественной информа­
ции —^количественной Оценки иссле­
дуемой величины, состояния иссле­
дуемого объекта явления [Л. 2-19].
Термин
«количественная инфор­
мация» является собирательным
и служит для выражения (оценки)
количественных данных, получае­
мых потребителем опытным путем
с помощью средств ИИТ об изу­
чаемых объектах и явлениях, не­
зависимо от их природы. Количест­
венная информация может рассмат­
риваться лишь в цепи, исследуемый
объект.— средство ИИТ — потреби­
тель. Придерживаясь этой точки
зрения, можно различать, напри­
мер, измерительную или контроль­
ную информацию, обозначая этим
информацию, полученную соответ­
ствующими разновидностями ИИС.
Нужно заметить, что результа­
ты измерения или контроля, конеч­
но, являются количественной ха­
рактеристикой исследуемого объек­
та или явления, но не равнозначны
понятию «информация об этом
явлении».
При измерении и контроле
одной величины диапазон выход­
ных значений соответствующего
технического устройства разбивает­
ся на некоторое количество интер­
валов и требуется установить, к ка­
кому из этих интервалов следует
отнести реализовавшееся значение
исследуемой величины. Нужно за­
метить, что это в равной мере отно­
сится к устройствам с аналоговым
и цифровым отсчетом. В любом слу­
чае множество возможных резуль­
татов измерения или контроля ко­
нечно и может определяться, на­
пример, при измерении одной вели­
чины оценкой точности средства измерения
N=(х Макс—
множество определяет разнообра­
зие значений исследуемых величин,
которое может восприниматься и
различаться с помощью данного
средства измерения. Поскольку ре­
зультат измерения представляется
в виде числового значения, то N =
= hl, где / — количество разрядов,
a h — основание кода.
Для характеристики количест­
венной информации, которая может
быть получена от данного средства
измерения, более удобной оказыва­
ется логарифмическая мера . / =
= log N =1 log Л, линейно завися­
щая от количества разрядов /.
В случае независимых измерений
величин Хи
., X]i общее коли­
чество информации будет равно:
1(Хи х 2у ..., * Л) = / ( * 0 + / № ) + .. .
• • • + (Хи).
В качестве единицы количества
информации при этом выбрано ко­
личество информации, получающе­
еся при 1=1 log 2 = 1 бит.
Такая логарифмическая мера
получила название аддитивной ме­
ры, пли меры Хартли (1928 г.)
[Л. 2-20]. Нужно заметить, что ад­
дитивная логарифмическая мера
может быть использована только
тогда, когда значения измеряемой
величины равновероятны.
Аддитивная
логарифмическая
мера информации не учитыва­
ет
имеющееся во многих слу­
чаях 'априорное знание об измеря­
емой величине, выражающееся, по­
ложим, в виде знания закона рас­
пределения ее вероятностей пли ди­
намического диапазона.
Очевидно, для определения ко­
личества информации, полученного
при измерении, может использо­
ваться несколько иной подход.
Здесь мы должны перейти к крат­
кому освещению основных положе­
ний теории информации, имеющих
значение для дальнейшего изложе­
ния, отсылая читателей, желающих
более подробно ознакомиться с тео­
рией информации, к специальной
литературе [Л. 2-21—2-29].
Появление тех или иных резуль­
татов измерения или контроля пра­
вомерно рассматривать как случай
ные события, а измерительный пли
контрольный эксперимент — как си­
туацию, в которой эти события мо­
гут осуществляться. Функциональ­
но процесс измерения пли контро34
•и
Рис. 2-5. Функциональная схема операции
измерения.
ля состоит из операций промежу­
точного преобразования исследуе­
мой величины х в z = tp(x,y) (при
наличии мешающего воздействия
У) сравнения значений 2 с образ­
цовыми мерами
}, при кото­
ром определяются значения выход­
ной величины zj, и принятия реше­
ния F о значении величины лц
(рис. 2-5)
Решение о значении яд принима­
ется на основании некоторого кри­
терия Кр. Дело в том, что по zy
нельзя однозначно определить зна­
чение яг-, .а 'можно лишь построить
некоторые гипотезы относительно
него. Часто разумно использовать
интервальные гипотезы, при кото­
рых определяется интервал x it со­
ответствующий значению zj, и для
получения численного значения из­
меряемой величине присваивается
значение середины пли какой-либо
точки этого интервала.
Неопределенность различаемых
состояний каких-либо параметров,
объектов, явлений, зависящая от
количества этих состояний и веро­
ятности их реализации, определяет­
ся энтропией и выражается для
дискретного случая в виде
Н {X) = — 2 Р (Xi) log р (Хг) =
= Af[llogp(.Y)],
(2-31)
где вероятность р(Х) берется для
случайного значения X, а следова­
тельно, является случайной величи­
ной, а для непрерывного — в виде
И (X) = М { - log [/ (л) Ах]} =
= — J f (x) log f (л) dx — log Дл =
_ °°= H* (X) - log Дл.
(2-32)
Величина Я* (X ) имеет конеч­
ное значение и носитназваниедифф е р е н ц и а л ь н о й, пли п р и в е ­
д е н н о й , энтропии. Значение log Дл;
изменяется, определяя начало от­
счета дифференциальной энтропии;
в пределе при Дх—^0 log Дл:— —оо.
В качестве примера приведем
дифференциальные энтропии для
величин с равномерной и нормаль­
ной плотностями распределения ве­
роятностей.
Дифференциальная
энтропия
равномерно распределенной на ин­
тервале (а, р) величины X равна:
"*<•>0 =
- | | Г ^ 1о ! г - р ^ А - =
а
= log (,3 — а).
Дифференциальная
энтропия
для
нормально
распределенной
центрированной величины
_l_
l o g ( l / 2’:’x)4-
M ^ Liogе = log
^°JC
Н— log е
Если
X и Z в вероятнос
смысле зависимы, то по аналогии с
частной и полной условной вероят­
ностями р (
Zj\Xi),p(Z\X) сущест
частная условная энтропия Я (г,-1 дт4)
и полная условная энтропия;
h (z \Х)1 = - 1%р(Х' )Н(г\х<) =
i
= —2 2
H/
р<Х') Р (zi | Xi) log р IXt)=
= - 2 2
* /
Аналогично
Z j ) logp(zjfXi).
H (A]| Z)
+
— log V
Приведенные значения диффе­
ренциальной энтропии случайных
величин X имеют максимальные
значения: для величии распреде­
ленных равномерно, — среди всех
финитных величин, плотности рас­
пределения вероятностей которых
ограничены по максимальному зна­
чению; для нормальных величин —
среди всех величин, имеющих плот­
ность распределения вероятностей
с ограниченной дисперсией [Л.2-21,
2-25].
При объединении независимых
величии их энтропии складываются:
H(X,Z)=M[-\ogp(X,
Так как для независимых величин
р(Х, Z) =p(X)p(Z), то
3*
(2-34)
=
— —2 2 p (Xi> Zj) log p I
i/
Для непрерывных величин диф­
ференциальная условная энтропия
—ОО
X l°g/ (z | х) d x d z .
н -т = м { -lo g f-p ^ x
X € ~ Л /^jrj J =
H ( X , Z ) ^ M [ — ]ogp(X) —
(2-33)
-\ogp(Z)]=H(X)+H(Z).
(2-35)
Знание энтропии исследуемых
объектов до и после измерительного
эксперимента позволяет определить
количества информации, получаемое
в результате проведения этого экспе­
римента:
ИХ, Z ) = H ( X ) - H ( X \ Z ) =
= H( Z) —H { Z \Х).
(2-36)
Справедливость правого равенст­
ва (2-36) для количества информа­
ции очевидна из следующих сообра­
жений. Полная условная вероятность
двух зависимых систем
р(х, Z) =p ( x ) p ( z \ x ) =p ( z ) p ( x \ z ) ,
следовательно,
H(X,Z)=H(X) +
+ H(Z\X)=H(Zj+H(X\Z)
и окончательно
H(X)-H(X\Z)
=H
Для дискретных и непрерывных
зависимых случайных величин колн35
чество информации определяется со­
ответственно:
Ц Х , 2) = 2 2/>(■** zi) X
гл х
x io g ^ r = .S S p f e . * )х
zi
Xi
x,
*3
Pi ,
,Zi
z2
23
Pi
0,1
0
0
0,1
0,2
0,3
0,2
0,7
0
0
0,2
0,2
0,3
0,3
0,4
i—
зультатами ее количественной оцен­
ки определяется вероятностями, ука­
занными в табл. 2-2:
/(*, 2) = J j f ( X , 2)Х
—оо
Н ( Х ) = — (0,1 log 0,1 +
X
logs / (X ) / (г )
ггтттт'dx dz == + 0,7 log 0,7+ 0,2 log 0,2) = 1,16 бит;
хх
Н (Z) = — (2-0,3 log 0,3 +
+ 0,4 log 0,4) = 1,57 бит.
= M h f w r a - ] ' "•< **> ■
В случае, если, например, X —
Подсчитаем значения p(Zj\zi}
непрерывная величина, a Z — ди­
(табл. 2-3) и p{Xi\Zj) (табл. 2-4):
скретная, то для определения коли­
чества информации может быть ис­
H
{Z
\Х ) = — 0,7 ( 2 $ Х
пользована формула
X l o g ° ^ l o g ^ ) = l , 0 8 бит;
ЦХ, Z) = 2 J p ( x , Zj).X
Х ^тШ ^Г *
СО
i
<2' 37>
—оо
х , 0 * т ш ё dx■
<2‘39)
Перечислим несколько важных
свойств количества информации
[Л. 2-21]:
1. ЦХ, Z) = / (Z, X).
2./(Z , Z )> 0 .
3.1 (X, Х) =Н( Х) .
4. /( В Д < Д ( Х ) , /( Z ,Z ) < # ( Z ) .
5. При необратимых преобразо­
ваниях, связанных с изменением не­
определенности X или Z, количество
информации уменьшается:
/[(* ь Х 2,...,Х « ) , Z]^>
> № , я * ,..., X n-O .z],
6. Если
Z=X + Y,то
H { X , Z ) = H { Z ) ~ H{Z\X) =
Я (Л -,2) = - 0, З ^ Х
. . . 0,1 , 0,2, 0,2\
X b g o X b ^ lo g o ^ j— 0,4 ^2
log Щ = 0,67 бит.
. Отсюда
I(X,Z)=H(X)-H(X\Z) =
= 1,16—0,67 = 0,49 бит;
I(X,Z)=H(Z)-H(Z\X) =
f = 1,57—1,08 = 0,49 бит.
Таблица
36
’
Xi
P ( 2 j |* t )
*1
P (г1 1 Xi)
1
р ( г 2 |х<)
0
0,3
0,7
0
Д(+1Хг)
0
0,2
0,7
1
= H(Z) —Я ( У ) .
Приведем пример определения
количества информации при измере­
нии величины Z и использовании
устройства, в котором связь между
значениями входной величины и ре-
2-3
0,2
0,7
0
p{Xi 1Zj)
Р(Х2
Zi
о~ г|о.
)
| Zj)
г1
0,2
0,3
0
Z2
0
1
0
2»
0
0,2
0,4
0,2
0,4
P ( X s 1Z j )
Не имея возможности более под­
робно останавливаться на способах
вычисления количества информации,
отошлем интересующихся этим во­
просом к [Л. 2-26—2-28]
Применительно к процессу изме­
рения можно определить количество
информации, получающееся в резуль­
тате его проведения, следующим об­
разом [Л 2-28].
Энтропия измеряемой величины
при использовании данного средства
измерения
=
—2
■**)( log (■**).
Р
Р
I
здесь
означает, что измеряемая
величина может принимать значения,
ограниченные дискретными значения­
ми образцовой величины
, < x i <С
■Ocj0’, а вероятность
венства
этого нера­
х<°>
Р (Xi)
= f (X)
f
dx.
*<I—
°>I
Эта формула определяет энтро­
пию Н (X), получаемую на выходе
прибора, выполняющего операцию
идеального (без погрешностей) кван­
тования измеряемой величины. Вви­
ду наличия погрешностей после по­
лучения результата измерения оста­
ется неопределенность
н ( Х \ г ) ^ - 2 Р (2>)н(Х\21),
I
где Zj — возможный результат изме­
рения.
Н ( X IZj) = — 2 р {Xi I Zj) log р {Xi IZj),
i
где p{Xi\zj) — условная вероятность
того, что реализовавшееся значение
Xi находилось внутри i-ro интервала
х, если известно, что полученный ре­
зультат измерения соответствовал
/-му интервалу Z.
Здесь мы определили количество
информации, содержащееся на вы­
ходе реального средства измерения
относительно идеального, выполня­
ющего операции квантования изме­
ряемой величины без погрешностей.
Если определять количество ин­
формации, содержащееся в резуль­
тате цифрового измерения относи­
тельно непрерывной измеряемой ве­
личины, то необходимо использовать
формулу (2-39).
Если сравнить между собой ко­
личество информации, полученное
последним способом, с тем, которое
мы нашли ранее^ при измерении од­
ной и той же непрерывной измеряе­
мой величины тем же средством из­
мерения, то окажется, что они будут
различаться. Дело в том, что введе­
ние предварительного квантования
по уровню измеряемой величины
идеальным средством измерения не­
сколько уменьшает значение количе­
ства информации.
Удобной для оценки средств из­
мерительной информационной техни­
ки характеристикой является экви­
валентное число делений [Л. 2-28].
Под эквивалентным числом делений
реального устройства подразумева­
ется число различимых уровней (де­
лений) такого измерительного уст­
ройства, в котором производится
операция идеального квантования
по уровню и отсутствуют остальные
погрешности, причем это устройство
позволяет при равномерном распре­
делении измеряемой величины полу­
чить такое же количество информа­
ции, как и рассматриваемое измери­
тельное устройство. Иными словами,
для любого измерительного устрой­
ства может быть определено эквива-
сти, стремиться к максимальному
значению jV0кв. В [Л 2-28] этот во
прос рассмотрен достаточно подроб
но.
Следует также указать на упо­
требление понятий энтропийной по­
грешности и энтропийного коэффи­
циента [Л. 2-27] Энтропийная по­
грешность по своей сути аналогична
I(X, Z) = l£)go N экв = logo
—
,
эквивалентному кванту Аэкв, а в ос­
°экп
нову
определения энтропийного ко­
где L — рабочий диапазон измеряе­
эффициента
положено утверждение,
мой величины, а Дэкв — значение
что энтропия случайной величины
эквивалентного интервала квантова­
зависит только от ее дисперсии.
ния.
Естественно, что выбор тех или
Тогда
иных модификаций информацион­
А^экв= ац х ' х>.
(2-40)
ных критериев должен производить­
ся в зависимости от конкретной си­
Если в выражении для количест­
туации, в которой они используются.
ва информации используются нату­
В [Л. 2-41] помимо комбинатор­
ральные логарифмы, то
ного и вероятностного подходов
к определению количества информа­
ции предложен алгоритмический
При равномерном распределении
подход. Однако необходимо прове­
измеряемой величины
дение специальных исследований по
его использованию для оценки коли­
I( X,
Z)= logo
—
~
Н (X
\Z
)(2-41)
чества измерительной информации.
Результат измерения, контроля и
тогда
т п. характеризует в известной сте­
N , KB = LcrII{XlZ)/A.
(2-42)
пени состояние объекта исследова­
ния. Информация об этом состоянии
Эквивалентное число делений мо­
(рис. 2-6), передаваемая с помощью
жет быть использовано для сравни­
количественной оценки Л, зависит от
тельной
оценки
измерительных
запаса знаний и словаря (тезауруса)
устройств, оценки влияния погреш­
/ 2, которыми обладает наблюдатель
ностей преобразования и для опти­
или следующая ступень иерархиче­
мизации параметров вновь проекти­
ски более сложной системы (Л 2-26].
руемых измерительных устройств.
Очень важной является оценка
В последнем случае удается при за­
качества
получаемой от средств
данных погрешностях проектируемо­
ИИТ
информации.
Существует до­
го устройства, изменяя интервалы
вольно
значительное
число попыток
квантования и остальные погрешновведения такой оценки через цен­
ность, содержательность, полезность
информации п др. [Л. 2-26, 2-29].
К разновидности таких оценок сле­
дует отнести также функции штра­
фов (см. § 2-2), приоритетные коэф­
фициенты. Однако, к сожалению,
исследования по оценкам качества
информации далеки от завершения
Для специалистов в области созда
ния и использования ИИС знание
оценок качества информации, полу­
Р ис. 2-6. С вязь « о б ъ ек т — III 1C— потреби
чаемой от ИИС, имеет важное знатель».
лентное число делений, аналогичное
(но не равное!) характеристике его
точности, выраженной через количе­
ство различимых (с учетом погреш­
ности) уровней
Эквивалентное число делений
-Жэкв может быть получено в соответ­
ствии с его определением как
ч011110 Поэтому можно ожидать
в ближайшее время существенного
развития методов оценки качества
информации, получаемой с помощью
средств ПИТ.
2-5. ИНФОРМАЦИОННАЯ
ИЗБЫТОЧНОСТЬ В ИС
Информационная избыточность
в ИС преимущественно ^обусловли­
вается наличием взаимной связи меж­
ду сигналами или результатами
измерений. Взаимная связь между
соседними дискретными значениями
случайной величины X характе­
ризуется условной вероятностью
p(x]\xi-i) ; в случае же, если парал­
лельно работают взаимосвязанные
источники информации, появление
сигнала %i предопределяет появле­
ние сигнала yi с вероятностью
p(Ui\xi) (рис. 2-7).
Наличие такой взаимосвязи меж­
ду результатами измерений может
привести к увеличению числа резуль­
татов измерении п ло сравнению
с числом по, необходимым для по­
лучения того же количества инфор­
мации об изучаемых величинах.
В ряде случаев дискретные сигналы
содержат избыточное (п) по сравне­
нию с необходимым (я'о) число ком­
понент (символов)
Удельное количество информации
на один отсчет или символ (иногда
его называют содержательностью)
может быть определено следующим
образом:
^
i = — и iмакс =
Тогда информационная избыточ­
ность может быть выражена в следу­
ющем виде:
i
П0 (2-43)
Избыточность может проявляться и в том случае, если распределе­
ние вероятностей исследуемой^ вели­
чины не согласовано со шкалой сред­
ства измерения. Тогда информаци­
онная избыточность
и _ {макс
__ 1 _
(2-44)
i
Рис. 2-7. К определению
взаимосвязи процессов.
где /макс — максимальное количест­
во информации, которое может быть
получено с помощью данного сред­
ства измерения при измерении вели­
чины, имеющей согласованное со
шкалой средства, измерения распре­
деление вероятностей; / — количе­
ство информации, получаемое при
организации процесса измерения бе
учета этого обстоятельства.
Заметим, что закон распредели
ния вероятностей можно изменит^
с помощью нелинейных преобразова­
ний измеряемой величины [JI. 2-20J.
Инфоомационная избыточность
в ИИС может вызывать выполнение
излишних операций получения и об­
работки количественной информа­
ции, приводить к уменьшению быст­
родействия, увеличению емкости
устройств памяти и т. п. Однако
в ИИС широко применяется введе­
ние информационной избыточности
с целью повышения помехоустойчи­
вости, уменьшения помех и т. Д. Об
этом будет неоднократно говориться
в дальнейшем.
2-6. СКОРОСТЬ ПОЛУЧЕНИЯ
ИНФОРМАЦИИ И ПРОПУСКНАЯ
СПОСОБНОСТЬ СРЕДСТВ
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ
ИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ
Скорость получения информации
и- пропускная способность являются
информационными характеристика­
ми динамических свойств ИИТ.
Если в течение времени Т (в се­
кундах) в процессе измерения полу­
чено количество информации I(X, Z)
(в битах), то средняя скорость по­
лучения информации
•£ = - (ЛГ^ 2 ) .
1(Х) = п Н ( Х ) = ^ Н ( Х у ,
/ ( X)
j
Н ( X)
At '
Если At = const и выбрано, исхо­
дя из ограничения верхней частоты
/в частотного спектра сигнала
(см. гл. 5), то
R = 2f„H(X).
Видимо,
С получается при
Я ( Х ) = Н маис (X). Как уже говори­
лось, для ограниченной по макси­
мальному значению плотности веро­
ятностей f (x) наибольшее Н (X) дает
40
распределения
С = 2/в log m,
(2-45)
Величина R измеряется в битах
в секунду.
Пропускная способность данного
средства ИИТ определяется макси­
мальным значением скорости полу­
чения информации. Пропускная спо­
собность может быть выражена <в
виде
С — шах R.
(2-46)
{'<*)}
Таким образом, пропускная спо­
собность данного средства ИИТ
определяет его потенциальную воз­
можность в смысле динамики полу­
чения или передачи информации.
Поэтому для оценки того, насколь­
ко полно используются возможности
данного средства ИИТ, применяется
так называемый коэффициент ис­
пользования г) = R/C.
Произведем оценку скорости по­
лучения информации и пропускной
способности для средств ИИТ, в ко­
торых учитывается только квантова­
ние измеряемой величины по уров­
ню. В этом случае количество ин­
формации, получаемое за одно изме­
рение,' равно энтропии Н(Х) =
= —Hp(Xi) log p(Xi). Если за интерi
вал времени Т выполняется п изме­
рений, то при независимых резуль­
татах измерения
д—
равномерный -знак
вероятностей. Тогда
где in — число уровней квантования
шкалы данного средства ИИТ (при
равномерном квантовании шкалы).
Приблизиться к пропускной спо­
собности средства измерения при из­
мерении величины, имеющей распре­
деление вероятностей, отличающееся
от равномерного, можно, предвари­
тельно прёобразовав закон распре­
деления вероятностей [Л. 2-20] или
так организовав процедуру измере­
ния, чтобы время получения резуль­
тата 1измерения было обратно про­
порционально вероятности его реа­
лизации. Указывая на такую прин­
ципиальную возможность, мы в то
же время не можем привести приме­
ров ее практического использования.
Для измерительного преобразо­
вателя непрерывного действия при
преобразовании входного сигнала X
с ограниченным значением верхней
частоты /в частотного спектра и нор­
мальной плотностью распределения
вероятностей, аддитивной погрешно­
стью преобразования Y, распреде­
ленной по нормальному закону и
имеющей характер белого шума,
имеем [Л. 2-21]:
Н ( Х ) = log ] / 2w 9i =
—
log
H(Y) = -L\og2*eP u;
H(Z) = -±-log2T.e(Pc + P u)
где Pc и Рп — МОЩНОСТЬ ВХОДНОГО
сигнала и помехи соответственно.
Пропускная способность (в би­
тах в секунду) в этом случае
С —-у- [// (26) —
Н |(XZ)] макс,
здесь п — количество независимых
измерений; Т — время измерения.
Так как независимые результаты
измерений получаются при n = 2fbT
2-7. О «СТАРЕНИИ» ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ
ИНФОРМАЦИИ
Рис 2-8. Изменение сомножи­
телей при сохранении макси­
мального количества информа­
ции. '
(см. гл. 5), то
с = / , iog - £ ^ - =
=f.l°g(> + 7r)
(2-47)
При-малых значениях Р с/ Р п , учи­
тывая, что
l o g (1 + e l = log е ^ е —
f-
и ограничиваясь первым членом ря­
да, получаем:
lo g ( l + - £ - ) ~ I o g * £ .
При больших значениях Р с/ Р и
log ( l + - £ ) ~ log-Й-Можно выразить количество ин­
формации через пропускную способ­
ность:
/ м а , с ( * . Z) = CTk=
= f * Tl og( l + ^ y
(2-48)
Из этого выражения следует, что
максимальное количество информа­
ции можно получись, изменяя соот­
ношение между /в,' С и Рс/Рп при
постоянном значении их произведе­
ния (рис. 2-8).
Скорость получения информации
и пропускная способность использу­
ются для согласования между собой
функциональных узлов ИИС.
Для оценки быстродействия и
точности измерения мгновенных зна­
чений случайных процессов и опре­
деления допустимого времени хране­
ния и обработки измерительной ин­
формации в системах управления
представляет интерес исследование
процессов «старения» измерительной
информации [Л. 2-30—2-32].
Положим, исследуемая величи­
на — стационарный
эргодический
нормальный процесс X (() со спект­
ральной плотностью 5 (со), а измере­
ние мгновенных значений этого про­
цесса
производится
цифровым
устройством с интервалами кванто­
вания по уровню Ах. Результат изме­
рения ск= (он,. .,
...,
с тече' нием времени 0 теряет достоверность
и может быть использован с погреш­
ностью не меньшей, чем погрешность
экстраполяции процесса X (t) на вре­
мя 0. Погрешность экстраполяции
Е (0) = Х ( / + 0)-Х *(Н -!0),
где
А'(^+0) — истинное значение слу­
чайного процесса, а Х*(/ + 0) — про­
гнозируемое значение. Погрешность
прогноза имеет дисперсию, монотон­
но возрастающую от 0 до дисперсии
процесса с увеличением 0. При по­
мощи экстраполятора получается
число р = (Pi,. . . . (У,-.........pft), каж­
дый разряд которого с некоторой ве­
роятностью совпадает с соответст­
вующим разрядом числа у = (yi,
• • •. Уз, - ■■, уft). представляющим
точное значение процесса в момент
времени f + 0.
В качестве характеристики старе­
ния результата измерения в[Л. 2-30]
предполагается использовать веро­
ятность pj сохранения достоверности
/-го разряда числа « к моменту / + 0.
Используя представление о «ста­
рении» информации, удается рас­
смотреть известную конфликтную
ситуацию, сводящуюся к тому, что
увеличение времени задержки 9 при­
водит к потерям от «старения» ин­
формации, а уменьшение времени
0 — к потерям от воздействия помех.
Естественно, при этом предполага­
ется, что задержка 0 используется
в данном случае для повышения
помехоустойчивости результата изх мерения за счет увеличения инфор­
мационной избыточности (накопле­
ние, последовательный анализ сиг­
налов и Т.. д.).
В [Л. 2-32] приводится решение
этой альтернативной задачи для слу­
чая измерения стационарного нор
мального случайного процесса и нор­
мального распределения погрешно­
сти экстраполяции
2-8. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
ЗАКОНОМЕРНОСТИ
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ
ПРИ ИЗМЕРЕНИИ
Развитие средств ИИТ связано
е уменьшением энергетических за­
трат, необходимых для получения
измерительной информации. Так,
в электроизмерительной технике пе­
реход от устройств с ручным управ­
лением к электромеханическим авто­
матическим приборам, а затем к при­
борам, основанным на применении
электронных, полупроводниковых и
микроминиатюрных элементов, был
неуклонно связан с уменьшением
энергии, затрачиваемой на выполне­
ние процесса измерения. Этот путь
улучшения одной из эксплуатацион­
ных внешних характеристик средств
ИИТ зависит главным образом,от
элементной базы, используемой для
их построения
Имеется, однако, более важная
глубинная связь между энергетиче­
скими затратами и результатами из­
мерения. Дело в том, что преобразо­
вание измеряемых величин в сигна­
лы, преобразование сигналов в изме­
рительных преобразователях проис­
ходит по принципу элементарного
отображения:
«воздействие (си­
л а )» — «реакция (движение, измене­
ние состояния)». Иными словами,
в измерительных преобразователях
передача информации немыслима
без преобразования энергии. Это
значит, что при анализе работы пре42
образователен необходимо знать
энергетические закономерности, учи
тывающие вид физического явления,
используемого при преобразовании
(электрические, магнитные, механи­
ческие, тепловые и другие явления).
Однако есть и общие закономерно
сти, не зависящие от природы ис­
пользуемых явлений. К мим относит­
ся закон сохранения энергии и для
большинства измерительных преоб­
разователей принцип взаимности
(обратимости действия). Эти зако­
номерности являются фундаментом
для построения общей теории обра
тимых преобразователей [Л. 2-33]-.
В этой теории для описания процес­
сов преобразования энергии и форм
движения используются такие поня­
тия, как обобщённые сила, коорди­
ната, сопротивление и т. и., которые,
позволяют с единой точки зрения
рассматривать преобразователи раз­
личной физической природы. Под об­
общенной координатой понимается
независимая переменная, изменение
которой определяет движение. В ка­
честве обобщенной координаты мо­
гут выступать любые физические ве­
личины, определяющие состояние
данной системы, которая являет­
ся носителем того пли иного вида
энергии.
Обобщенная сила рассматрива­
ется как коэффициент при обобщен­
ном перемещении, т. е. изменении
координаты, а энергия (работа) яв­
ляется произведением обобщенной
силы на обобщенное перемещение.
В общем случае в системе рас­
сматриваются потенциальная и кине­
тическая энергия, а также энергия
рассеяния (потерь). Для определе
ния обобщенных сил, действующих
в системе, обычно используется
уравнение Лагранжа второго рода
с)
Ot
/\ |
л
дТ
дТ
дП _
aqt )
Oqt
* dqt ~
дФр
dqt
= —-^- = Q
i(, 2-49)
где qi — обобщенная координата;
qi — обобщенная
скорость
(qi =
= dqi/dl); T — кинетическая энергия;.
П — потенциальная энергия; Фд
функция рассеяния (диссипативная
функция); Qi — обобщенная сила.
Известно, что Г, П и Фя можно
представить в виде однородных
квадратичных форм обобщенных ко­
ординат (для П) или обобщенных
скоростей (для Т и Ф я):
возникающим в системе под дейст­
вием этих сил.
Для системы с потенциальной и
кинетической энергией, а также
с потерями можно получить:
Q
i ~
Rih + Cih'j qn =
П = - ^ - { c uq\ + c,,ql - f . . ) +
+ ci2<7i?2 + • • •;
= 2 (P~m ik + p R ih + c ik) qn =
k
T = -^~(mnq\ +tfz22 9 2 + •• ) +
= 2W k
Фд. = -5-
J + ^ 22<?2 + •••) +
+ Ri,qi qt + • • •
(2-50)
В этих выражениях коэффициен­
ты Cij не зависят от координат, яв­
ляются постоянными величинами и
имеют смысл упругости, коэффици­
енты niij имеют смысл массы, а ко­
эффициенты Rij имеют смысл со­
противления потерь.
Для определения состояния си­
стемы необходимо некоторое коли­
чество координат, которое называет­
ся числом степеней свободы. При /г
степенях свободы должно иметься /г
независимых координат q и соответ­
ственно можно составить п уравне­
ний для сил. В этом случае для ли­
нейных систем, обладающих кинети­
ческой энергией, будет иметься си­
стема Уравнений:
Q i —
^n<7i +
Z 22
q2 +
..
.
• • • Ч ” Z i n <7ni
(2-51)
Qn ---- ^711 <7i 4 “ ^П2^2 "f“ * *
• • • 4“ Znntfni
где Z — обобщенные сопротивления,
являющиеся отношением обобщен­
ных сил к обобщенным скоростям,
(2-52)
В этом выражении l ih имеет
смысл эвкивалентной обобщенной
упругости.
У большинства измерительных
преобразователей необходимо знати
соотношения между входом и выхо
дом, поэтому для описания их со
стояния достаточно двух координат
Чаще всего действие преобразова
телей основано па преобразована
кинетической
энергии. Поэтому
основные уравнения измерительных
преобразователей можно записать
в виде
Qi — Z llql -f-Z12<72;
Q 2 Z =
Z z iQ i
Ql —
V llQ l
(2-53)
Z 22q 2
или
?2= U
4
“
(2-54)
+ ^ Q 2,
где Zij и Vij — обобщенные сопро­
тивления и 'проводимости.
Общая теория обратимых четы­
рехполюсников ШИРОКО И ПЛ0Д01
ворно используется в ИИТ. Он<*
позволяет с единых и строгих пози­
ций подойти к решению задач ана­
лиза и синтеза измерительных пре­
образователей, задач обеспечения
преобразователей (в том числе
получения
от преобразователей
необходимой мощности) и т. д.
Используя общие уравнения, можноописать работу практически любо­
го измерительного преобразователя,.
43i
оценить его энергетические• воз­
можности и качество, определить
такие характеристики, как чувстви­
тельность и другие. [Л. 2-34]. По­
лезные результаты при анализе
энергетических соотношений в из­
мерительных преобразователях бы­
ли получены применительно к элект­
ромеханическим преобразователям
[Л. 2-34—2-37]. Например, было
установлено [Л. 2-35], что чувстви­
тельность и быстродействие магни­
тоэлектрических
гальванометров
(при использовании существующих
материалов) не могут быть повы­
шены без увеличения потребляемой
энергии от источника информации.
Среди измерительных преобразо­
вателей особое значение имеют пер­
вичные преобразователи — преобра­
зователи
измеряемой
величины
в сигнал. Энергетические затраты,
необходимые для работы таких пре­
образователей, связаны, с одной
стороны, с погрешностью измере­
ния, а с другой, с внесением возму­
щений в исследуемый объект и, сле­
довательно, с искажениями измеря­
емой величины.
В работах Л. Бриллюэна [Л. 2-22]
исследуется ситуация обнаружения
частиц в данном объеме, при кото­
рой энергия затрачивается на «осве­
щение» , частицы. Из рассмотрения
этого и некоторых подобных ситуа­
ций делается вывод, что минималь­
ное количество энергии, необходи­
мое для получения информации,
равно kT\n2 = 0,707kT (k — постоян­
ная Больцмана и Т — абсолютная
температура). При 20 °С это мини­
мальное количество энергии равно
0,28 • 10~20 'Дж.
Исследования аналоговых элект­
рических измерительных преобразо­
Ri
~
Рис. 2-9. Эквивалентная схема входной це­
пи измерительного преобразователя.
вателей, проводимые П. В. Новиц­
ким и другими авторами [Л. 2-27,
2-38—2-40], показали, что энергети­
ческие затраты на получение ин­
формации должны по крайней ме­
ре превышать энергию тепловых
флуктуационпых шумов на эквива­
лентном входном сопротивлении из­
мерительного
преобразователя.
В [Л. 2-27, 2-40] анализируется
аналоговый измерительный преоб­
разователь напряжения со входным
сопротивлением R BX и спектром ча­
стот Д/. Источник измеряемой вели­
чины имеет напряжение £/с и внут­
реннее сопротивление Ri (рис. 2-9).
В этом случае можно приближенно
считать, что случайные величины на
выходе, являющиеся суммой Ь\ и
э. д. с. Е, вызванной тепловыми
флуктуационпыми шумами, отсчи­
танные через 1/2Д/, являются некор­
релированными и по этим отсчетам
могут быть восстановлены. Если
использовать принцип накопления,
то за время t может быть получено
я = 2Д/г£ отсчетов. Среднеквадратич­
ное значение напряжения теплового
шума по Найквисту будет равно
СГщ~ Y
4kTJR0Af.При учете накоп­
ленных значений
„
. • / 4ш?эдг _ . г ш щ
6В.Щ у
2 Kft
~Г~'
Если ко входу измерительного
устройства приложено напряжение
Uс то относительная погрешность
измерительного . преобразователя
с учетом э. д. с. теплового шума
может быть выражена в виде
иа
V
2Ш?Э
v\t
= , / ыт
V p t'
где P = U 2 / / ? э — мощность, потреб­
ляемая измерительным устройством
В конечном виде можно полу
чить выражение, связывающее меж­
ду собой относительную погрещ-
яость, потребляемую мощность и
■время измерения:
о2
Pi ='2kT.
Ш
*■
(2-55)
Это выражение позволяет (в рам­
ках принятой модели) приближен­
но оценивать взаимосвязь между
основными метрологическими ха­
рактеристиками измерительных пре­
образователей.
•Полученный результат позволяет
надеяться на возможность нахож­
дения более полных взаимосвязей
между основными характеристика­
ми средств ИИТ.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИИС
3-1. т е х н и ч е с к а я
э ф ф е к т и в н о с т ь ИИС
Проблема эффективности технических
средств информационной техники привле­
кает большое внимание (Л. 3-1—3-5]. Под
технической эффективностью в большинстве
случаев понимается степень приспособлен
пости- средств информационной техники
к выполнению поставленных задач (функ­
ций) .
Измерение эффективности осуществля­
ется с помощью критериев, или показателей
эфективности Выбор конкретных критериев
эффективности зависит от назначения систе­
мы и требований, предъявляемых к ней.
Известны общие рекомендации [Л. 3-Л, 3-5,
3-10],-которые целесообразно учитывать при
выборе критериев эффективности:
критерий эффективности должен отра­
жать основное назначение системы;
критерий должен быть критичен по от­
ношению к параметрам системы, позволяю­
щим его варьировать;
критерий должен обладать определен­
ной конструктивностью, позволяющей отно­
сительно просто определять его численное
значение для системы;
критерий должен быть достаточно уни­
версальным, позволять сравнивать эффек­
тивность систем одного назначения и вы­
бирать наилучший вариант.
Выбор критерия для системы всегда
связан с некоторым (большим или малым)
риском. При этом необходимо всесторонне
взвешивать назначение системы, ее взаимо­
связь с другими частями, если система не
автономна, последствия того или иного
выбора критерия.
Если формализовать требования к кри­
терию эффективности системы, то в общем
виде критерием эффективности ИИС явля­
ется функционал вида
W=F(X, Y),
(3-1)
где Х = (Х Ь Х2, . . . , Хп) — вектор, характе­
ризующий параметры системы, которыми
можно управлять и, таким образом, изме­
нять численное значение критерия; У=(Уь
Y2i ...» Ym) — вектор параметров системы,
не поддающихся управлению, но влияющих
на значение критерия эффективности.
Значение W определяется алгоритми­
ческими, структурными, схемными, и конст­
руктивными решениями системы, а также
условиями применения.
Число параметров, влияющих на кри­
терий эффективности, может быть очень ве­
лико. Но для конкретного варианта системы
лишь некоторые из них в значительной мере
изменяют критерий, а большая часть влияет
относительно слабо или почти не влияет.
Для упрощения исследования необходимо
выбирать минимальное число параметров,
т. е. ограничиться только существенными.
Для анализа влияния параметра на крите­
рий могут использоваться методы корреля­
ционного и регрессионного анализа (cto. гл. 4
и 15).
Рассмотрим
примеры,
поясняющие
смысл понятий управляемых и неуправляе­
мых параметров. Если критерием является
точность ИИС, то управляемыми перемен­
ными ’(параметрами) могут быть коэффици­
енты передачи отдельных частей системы,
число уровней квантования, полоса пропус­
кания, коэффициенты обратной связи, по­
стоянные времени и т. д. Неуправляемыми
параметрами, влияющими на точность си­
стемы, являются окружающие условия
(температура, влажность и т. д.), уровень
помех, радиации и др.
Конкретное
выделение
параметров,
в особенности управляемых, зависит от сте­
пени детализации модели системы. При
агрегатном принципе построения систем
(см. ч. 4) естественно ограничиться уровнем
устройств агрегатных комллексрв ГСП.
Большинство и з управляемых параме­
тров может быть изменено только в опре­
деленных пределах, т. е. существует ограни­
чение вида ХеМ , где М — допустимая
область изменения параметров.
Неуправляемые параметры полезно раз­
делить на три группы [Л. 3-8]:
1) фиксированные, значения которых
известны, но изменяться они не могут;
2)
' случайные параметры, законы рас­
пределения которых известны;
3); неопределенные случайные парамет­
ры для которых известны только области
изменения, но неизвестны законы распре­
деления вероятностей.
Фиксированные факторы для конкрет­
ной системы можно не учитывать. Если со­
гласно проведенному выше разделению обо­
значить через Y1 вектор случайных неуп­
равляемых параметров, законы распределе­
ния которых известны, а через Y11 — вектор
неопределенных случайных параметров, то
выражение '(3-1) можно переписать в виде
W=F( X , Y 1, Y11).
’ -(3-2)
Выражения «(3-1), (3-2) могут исполь­
зоваться для оценки эффективности проек­
тируемых и функционирующих систем При
оптимальном проектировании задачей мате­
матического синтеза системы является
отыскание экстремума функционала крите­
рия при заданных ограничениях на управ­
ляемые параметры и учете всей доступной
информации о неопределенных параметрах.
Ввиду многообразия аспектов, с кото­
рых могут рассматриваться критерии техни­
ческой эффективности ИИС, полезно прове­
сти их классификацию.
Обобщенным критерием эффективности
называется критерий, измеряющий общую
эффективность системы, в целом ![Л. 3-3].
Частный критерий эффективности ха­
рактеризует отдельную сторону системы. Он
совпадает с той или иной характеристикой
системы — характеристикой точности, бы­
стродействия, надежности, и т. д. Система,
оптимальная по одному из частных крите­
риев, может оказаться далеко не оптималь­
ной по другим критериям При проектиро­
вании систем естественно стремиться не
к экстремальному значению какой-либо ча­
стной характеристики, а к общей опти­
мальности системы, т е. к экстремуму
обобщенного критерия.
Обобщенный критерий, очевидно, явля­
ется функцией частных критериев
W = Ф(\Е1, \V'2,
Wm).
(3-3)
Кроме того
обобщенный критерий
в некоторых задачах можно представить
как функционал от соответствующих управ­
ляемых и неуправляемых параметров систе­
мы. При этом особой необходимости введе­
ния частных критериев очевидно, нет
Как обобщенные, так и частные' крите­
рии могут быть качественными и количест­
венными '[Л. 3-8].
Качественный критерий характеризует,
достигнута или не достигнута цель (эф­
фект), поставленная перед системой. Этот
критерий эффективности можно трактовать
как принимающий только два значения 1,
если цель достигнута, и 0 в противополож
ном случае: например, получена ли при
измерении (контроле) заданная достовер­
ность (1) или не ^получена (0). Аналогич­
ный смысл можно придать обеспечению ра-
ботоспособпости системы Для качественно­
го критерия, естественно, должна быть
установлена связь с параметрами системы,
определенные значения или интервал изме­
нения которых позволяет получить числен­
ное значение критерия (1 или 0).
Количественный критерий есть некото­
рая величина, характеризующая выполне­
ние системой ее функций. Этот критерий
принимает непрерывный или дискретный ряд
значений. Примерами количественных кри­
териев являются максимальная или средне­
квадратичная ошибка, быстродействие, до­
стоверность контроля, вероятность выпол­
нения задачи в определенные интервалы
времени и др. (ель гл. 2).
Помимо такого разделения критериев
можно еще указать выделяемый некоторы­
ми авторами так называемый условный кри­
терий (Л. 3-3]. Условным критерием эффек­
тивности называют критерий, вычисляемый
в предположении, что какие-либо события
или случайные величины, влияющие на кри­
терий эффективности, произошли или при­
няли определенные значения. Условные кри­
терии чаще всего используются в задачах
исследования надежности сложных техни­
ческих систем. Безусловный критерий опре­
деляется как математическое ожидание
условного.
До сих .пор рассматривались критерии
эффективности, характеризующие систему
в целом. Для системы, состоящей из / под­
систем (частей), общий (суммарный) кри­
терий может определяться через критерии
отдельных подсистем WW как
где
№(2), . .., w<0),
1(3-4)
№<0=/ч(Х<1'\ Y(*>) ( i= l, 2, ..., /),
причем Х<1)— вектор управляемых параме­
тров t-й подсистемы; Y^> — вектор неуправ­
ляемых параметров i-й подсистемы.
•В качестве подсистем конкретной ИИС
можно рассматривать части ее, выполняю­
щие какую-либо одну функцию. Так, напри­
мер в системах автоматического контроля
(см ч. 3) можно .выделить подсистемы, вы­
полняющие функцию контроля, периодиче­
ского измерения, измерения по вызову
и т. д. [Л. 3-11]. Эффективность выполнения
системой отдельных функций, естественно,
анализируется более цросто, чем эффектив­
ность всей системы.
Как указывалось выше, критерий эффек­
тивности системы в общем случае зависит
не только от управляемых параметров и
•неуправляемых параметров, с известными
законами распределения, но и от неопреде­
ленных неуправляемых параметров '(факто­
ров). По этой причине >в ряде случаез нель­
зя найти да>ке статистические характеристи­
ки критерия и возникает статистическая не­
определенность в нахождении его числовых
значений
Как правило, в литературе, посвящен­
ной эффективности систем, неопределенные
факторы игнорируются и задачи вычисле­
ния критериев рассматриваются в детерми­
нированной либо в статистической поста­
новке. В детерминированной постановке
каждому варианту системы с выбранной
структурой и параметрами ставится .в соот­
ветствие единственное значение критерия
В статистической постановке выбранному
варианту соответствует значение критерия
•с определенной вероятностью, в этом слу­
чае говорят также о риске, возникающем
из-за статистического характера неуправляе­
мых параметров В обеих этих постановках
неопределенные факторы не учитываются,
а критерий эффективности принимает бо­
лее простой вид:
\ V = F ( X , \ 1).
(3-5)
Цена этого упрощения — неточное вы.■числение истинного значения критерия
В правильно сформулированной ' модели
должны учитываться все существующие
неопределенные факторы (параметры)
Неопределенные факторы можно раз­
делить на две подгруппы:
а) неопределенные факторы, появляю­
щиеся из-за недостаточной изученности ка­
ких-либо процессов и величин, в теории
исследования операций такие неопределен­
ности называют природными;
б) неопределенности,
заключающиеся
в неточном знании некоторых параметров
критерия эффективности; в '[Л. 3-8] пока­
зано, что эти неопределенности тоже можно
относить к природным, хотя это и условно.
Примером неопределенностей первой
подгруппы являются неопределенности в за­
конах распределения вероятностей помех,
параметров .вибраций, радиационных воз­
действий и других внешних факторов
и Т: д. 'Примером неопределенности второй
подгруппы является неопределенность в раз­
делении общей погрешности сложной изме­
рительной системы на систематическую л
случайную составляющие.
'Неопределенности зависят от степени
информированности проектировщика систе­
мы о неуправляемых параметрах, влияющих
на эффективность системы. Увеличение
информированности, например, проведением
специальных исследований или уточнением
требований заказчика может уменьшить
влияние неуправляемых факторов на эффек­
тивность.
Основой для выбора варианта системы
в условиях неопределенности является прин­
цип гарантированного результата (Л. 3-3,
3-8]. Суть этого принципа заключается
в том, что при данном критерии эффектив­
ности и данном уровне информированности
о неопределенных факторах оценка эффек­
тивности вариантов системы должна осу­
ществляться на основе получения гаранти­
рованного (максимально гарантированного)
значения критерия эффективности.
В математической форме гарантирован­
ной оценкой эффективности является
W = inf W (X, Y1, Yir),
(3-6)
Yn ©V
где N — область изменения неопределенных
неуправляемых параметров (неконтроли­
руемых факторов).
Таким образом, при оценке эффективно­
сти системы в соответствии с принципов
гарантированного результата значение рас­
сматриваемого критерия будет обеспечено
при дЛбых значениях неуправляемых пара­
метров, влияющих на эффективность. При­
мером использования принципа гарантиро­
ванного результата в области измеритель­
ной техники является нормирование погреш­
ностей измерительных средств по классам
точности.
Подход на основе гарантированного ре­
зультата является осторожным, но обосно­
ванным, если правильно учитывается вся
доступная информация о неопределенных
факторах. Само понятие гарантированного
результата зависит от принятого критерия.
Так, если критерием является не макси­
мальная погрешность, а среднеквадратич­
ное отклонение, то гарантированной оцен­
кой общей погрешности ах является
!“ l / S Ф + 2 2 ° * Д .
V *
i<i
(3‘7)
где ах^ — среднеквадратичные отклонения
(или их статистические оценки) отдельных
слагаемых.
'В .соответствии с принципом гарантиро­
ванного результата предполагается макси­
мальная корреляция слагаемых, поэтому бе-
ретсяЯ*^ = 1.
Остановимся на том, что дает увеличе­
ние информированности о неуправляемых
параметрах, -например знание не только
области их изменения, но и статистических
законов распределения. Превращение неоп­
ределенного случайного фактора Y11 в ста­
тистически определенный Y1 мои^ет дать
следующее преимущество. Множество N —
-область изменения параметра — прш этом
может быть заменено на меньшее множе­
ство N' так, что для вероятности обеспечи­
вается неравенство р{
г
д
е
а—
достаточно малая величина, значение кото­
рой выбирается в зависимости от конкрет­
ной ситуации.
Для сравнительно равномерных законов
распределения такая замена не дает осо­
бенного выигрыша, так как вероятности лю­
бых Yl^ N примерно одинаковы. Но для
распределений с ярко выраженной неравно­
мерностью, например для нормального, мо­
жет быть получен существенный выигрыш
в уменьшении Степени влияния неуправляе­
мых случайных факторов на эффективность.
Неопределенные факторы затрудняют
оценку эффективности. В том случае, если
имеются основания считать, что подход па
основе принципа гарантированного резуль­
тата является слишком осторожным, может
быть использовано то или иное- усреднение
W по Y11. Если вектор статистически опре­
деленных и неопределенных неуправляемых
параметров состоит из независимых случай­
ных факторов Y=(Ylt
Ym), то новый,
усредненный критерий имеет вид:
*
w= J
| 9 (х, у )/|& |) - ■■■ . ! т { У т ) dlJi...........dym,
где
— плотность распределения i-го
параметра.
При этом должны быть выбраны в той
или иной степени обоснованно законы рас­
пределения неопределенных факторов.
Один из способов избавления от неоп­
ределенных факторов, предложенный Л. Гурвицем, описывается формулой
W' = а шах W (Y) -k (1 — a) min W (Y),
Y
Y
0<а<1.
(3-9)
ствие), ограничивая уровни остальных част­
ных критериев допустимыми значениями.
3.
Полученное в результате оптимиза
ции решение улучшает качество системы
только тогда, когда используемая модель
достаточно адекватна системе. Поэтому не­
обходима проверка решения с целью опре­
деления его соответствия реальной действи­
тельности [Л. 3-9]. В этой связи следует
еще раз подчеркнуть значение информиро­
ванности при выборе критерия и построения
модели системы. При более широком под­
(3-8)
ходе к оценке роли системы ее оптимальный
вариант, найденный при' ограниченной
исходной информации, может оказаться
в той или иной мере не лучшим.
3-2. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИИС
Экономической эффективностью техни
ческих средств .называют степень соответ­
ствия их условию, заключающемуся в том
что эффект от использования средств дол­
жен окупить затраты на их разработку, про­
изводство и эксплуатацию за заданное вре­
Величина а выбирается с тем или иным
мя [Л. 3-1]. Этому определению экономиче­
обоснованием. Если а= 0, то (3-9) дает
ской эффективности должны удовлетворять
принцип гарантированного результата. В
и ИИС.
(3-9) экстремумы выбираются либо по всей
По принятой ЦСУ СССР классифика­
области неуправляемых параметров, либо
ции измерительные и контрольные устрой­
только в области неопределенных параме­
ства относятся к основным производствен­
тров.
ным фондам предприятий.
Рассмотрим некоторые положения, свя­
Экономическая эффективность ИИС
занные с применением критериев эффектив­
должна ориентировочно определяться на
ности в ИИС.
1.
Если получена математическая мо­ стадии проектирования с целью экономиче­
ской оценки вариантов исполнения системы
дель системы, то она может быть использо­
и в дальнейшем после внедрения должна
вана для оптимизации системы, т. е. для
быть проверена и уточнена.
точного или приближенного нахождения
К основным источникам экономии от
в допустимой области значений управляе­
внедрения ИИС можно отнести:
мых параметров, обращающих в максимум
увеличение объема продукции в нату­
Или минимум (смотря по постановке зада­
ральном и денежном выражении (например,
чи) критерий качества системы. При этом,
увеличение выхода годных изделий);
когда неопределенные факторы учитывают­
уменьшение эксплуатационных расходов
ся, то оптимальный гарантированный ва­
(сокращение обслуживающего персонала);
риант системы есть такой вектор параме­
улучшение качества работ#, агрегатов,
тров Хо, для которого достигается экстре­
механизмов, устройств (например, благода­
мум (максимум или минимум) критерия
ря диагностике их состояния);'
[Л. 3-8]:
снижение трудовых затрат по эксплуа­
inf F (Х0> Y) = max inf F (X, Y), г(3-10)
тационному обслуживанию на единицу про­
Y ew
Х(=м Y ew
дукции !(или единицу производственной
мощности).
здесь через Y обозначены все неуправляе­
Необходимо отметить, что при совре­
мые параметры.
менном уровне технического прогресса раз­
Если неопределенные факторы не имеют
работка и внедрение новых измерительных
существенного значения, то формальным
систем (аппаратуры) позволяют решить ка­
подходом к выбору оптимального варианта
чественно новые технические и научные
являются классические методы решения экс­
задачи. При этом определение экономии от
тремальных задач (дифференциальное и ва­
внедрения систем может составлять задачу
риационное исчисление), а для более слож­
большой сложности.
ных моделей — методы математического
В некоторых случаях влияние новых
программирования (линейного, нелинейного,
прогрессивных измерительных средств не
дискретного, ‘ динамического, стохастическо­
го и др.).
отражается прямо на экономии в натураль­
2.
В современной практике разработки ном и денежном выражении, однако их
внедрение приводит к важным социальноизмерительных систем наиболее часто опти­
экономическим последствиям: устранению
мизируют какой-либо один из частных кри­
вредного и тяжелого труда, повышению
териев (например, точность или быстродей
■безопасности работы, улучшению санитар­
но-гигиенических условий труда и др.
Основными критериями (показателями)
экономической эффективности средств но­
вой техники являются следующие [Л. 3-12,
3-13]:
капитальные вложения, необходимые
для осуществления мероприятий по внедре­
нию новых средств;
сроки окупаемости капитальных вло­
жений;
производительность труда (в расчете на
одного работающего);
себестоимость продукции объекта, на
котором используется новая техника;
сумма годового экономического эф­
фекта
Важнейшими из них являются приве­
денные затраты и срок окупаемости. Эти
показатели рассмотрим подробнее.
Приведенные затраты. Полные приве­
денные затраты представляют денежные за
траты на проектирование, прои!зводство и
эксплуатацию данного варианта системы
в течение определенного промежутка време­
ни, чаще всего года. Они определяются по
формуле '[Л. 3-tl3]
Пз—Сп+ЕпКв,
(3-11)
где Кв — капитальные вложения по данно­
му варианту; Св — эксплуатационные рас­
ходы в течение выбранного промежутка
времени; Ев — нормативный коэффициент
эффективности капитальных вложений.
В [Л. 3-12] установлен единый норма­
тивный коэффициент эффективности капи­
тальных вложений для всех отраслей Ев =
= 0 , 12.
Для сравнения различных вариантов
ИИС приведенные затраты определяются
при сопоставлении исходных данных для
одного и того же числа измеряемых (кон­
тролируемых) величин, точности измерения,
быстродействия, показателей надежности
и др. Лучшим является вариант с наимень­
шей суммой приведенных затрат.
Капитальные вложения слагаются из
стоимости проектирования, стоимости вспо­
могательного оборудования, оптовой цены
системы и стоимости строительных соору­
жений. Некоторые методы укрупнённого
расчета капитальных затрат на ранних ста­
диях разработок и на стадии технического
проектирования приведены в [Л. 3-13].
Эксплуатационные расходы по данно­
му варианту есть сумма заработной платы
обслуживающего персонала, стоимости по­
требляемой электроэнергии, стоимости за­
пасных деталей, узлов и материалов, стои­
мости амортизации аппаратуры и здания,
накладных расходов на ремонт. Все эти со­
ставляющие должны быть отнесены к одной
и той же единице времени.
Срок окупаемости. Оценка срока оку­
паемости необходима при решении вопроса
о целесообразности разработки и внедрения
конкретного варианта системы.
4—741
Нормативный срок окупаемости капи­
тальных вложений является величиной»
обратной Ев: Тв= \/Е в. Срок окупаемости
системы определяется как период^ времени,,
в течение которого экономический эффект
от эксплуатации системы достигает капи­
тальных вложений на нее. Он не долженпревышать нормативного срока окупае­
мости.
Если при внедрении ИИС в промыш­
ленность снижается себестоимость продук­
ции, то срок окупаемости рассчитывается пc^
формуле
где ль Кг — капитальные вложения до »
после внедрения системы, руб.; Si, S2— се­
бестоимость готовой продукции до и послевнедрения ИИС, руб/год.
Внедрение ИИС зачастую способствует
повышению качества управления технологи­
ческим процессом или объектом, как авто­
матического, так и ручного, благодаря уве­
личению достоверности измерения и кон­
троля, ускорению переработки информации,
о ходе производственных процессов. Однако
пока эффект от этого повышёния качества
не рассчитывается ввиду отсутствия соот­
ветствующих методик.
Повышение роли технико-экономической
эффективности при внедрении новой техни­
ки приводит к необходимости решения ряда
методических вопросов, разработки методов
расчета эффективности для ИИС конкрет­
ного назначения, обоснования границ эконо­
мически эффективного применения такого
сравнительно малоизученного с экономиче­
ской точки зрения класса технических
средств, как ИИС.
3-3. СОВМЕСТНОЕ РАССМОТРЕНИЕ
ТЕХНИЧЕСКОЙ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ИИС
При разработке систем важно не толь­
ко обеспечить требуемые технические ха­
рактеристики, но и знать затраты на их по­
лучение. Поэтому в настоящее время боль­
шое внимание уделяется проблеме общей
эффективности, объединяющей техническую
и экономическую эффективность систем.
Основное внимание при этом уделяется по­
иску обобщенного критерия эффективности,
который бы позволил связать характеристи­
ки систем с затратами на их получение и,
таким образом, однозначно охарактеризо­
вать общую эффективность.
Полезно отметить здесь и связь этой'
проблемы с проблемой качества системы.
Под качеством системы (изделия) обычно
понимают совокупность функциональных,
технических и экономических характеристик,
определяющих степень ее пригодности для
использования по заданному назначению.
Обобщенный критерий эффективности мог
бы служить и единым показателем качества
системы.
40
где Pг — коэффициент готовности системы;
ро — вероятность того, что все элементы
работоспособны; р г- — вероятность отказа
i-то элемента; рц — вероятность отказа t-rо
и /-го элементов; рi , .. ,п — вероятность
отказа всех элементов; W0, Wi, \V{j, . . .
.U7,.......п — условные критерии эффек­
тивности, равные условным вероятностям
выполнения задачи в предположении без­
отказности всех элементов, отказа i-ro эле­
мента и т д Условные критерии эффектив­
ности предполагаются независимыми от мо­
ментов возникновения отказов элементов
где V — результат использования системы
системы на заданном интервале времени.
(реальный доход),; 5 — затраты на созда­
При вычислении данного критерия
ние и эксплуатацию системы; Vn — резуль­
должны быть предварительно определены
тат применения системы при выполнении
условные вероятности безотказной работы
всех функций и отсутствии затрат на их
и условные критерии, которые можно найти
осуществление (идеальный доход)
только на основе экспериментальных дан­
Числитель (3-13) равен прибыли, полу­
ных и опыта эксплуатации системы, что для
чаемой от эксплуатации системы.
вновь проектируемых систем в большинстве
В работах [Л 3-17, 3-18] в качестве кри­
случаев затруднено.
терия эффективности систем предлагается
Довольно широко распространен в техни­
вероятность выполнения стоящих перед ними
ческой литературе (см., например, [Л. 3-19])
задач. Применительно к измерительным си­
подход к конструированию обобщенного
стемам этот критерий можно сформулиро­
критерия как к произведению частных кри
вать как вероятность выполнения измерения
терпев, нормированных относительно неко­
с заданной точностью. Соответствующее вы­
торых номинальных значений показателей
ражение имеет вид [Л. 3-3]:
для получения безразмерных сомножителей.
Произвол в выборе номинальных показате­
п
п
(
лей здесь очевиден, к тому же такой под­
PoW0+ 2 ^ Г г+ 2 PtiWH +ход при высоком общем показателе не га­
рантирует приемлемого значения какогоi=i
;, /= i
либо частного критерия.
1<i
В заключение следует сказать, что ма­
п
териал по оценке эффективности приведен
+ 2
PiOh^ijh + •• • + Р\ .. ,nWi
здесь с щелыо показать его перспективность
i,k= 1
и важность для оценки и оптимизации ИИС
i<]
и привлечь внимание специалистов к нере­
i<k
(3-14)
шенным в этой области вопросам.
Рассмотрим наиболее интересные из
известных нам .предложений по обобщен­
ным критериям эффективности информа­
ционных систем.
В [Л. 3-15, 3-16] в качестве обобщенно­
го критерия эффективности информацион­
ных систем предложен следующий показа­
тель:
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ПЛАНИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
4-1. ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Проведение всякого эксперимента свя­
зано с определенными затратами матери­
альных ресурсов, денежных средств, време­
ни, причем с развитием’ науки и техники эти
затраты увеличиваются (возрастает слож­
ность и стоимость установок, увеличивают­
ся затраты энергии и т. л.). Поэтому воз­
никает естественная задача такого планиро­
вания эксперимента, чтобы получить в ре­
зультате его проведения все необходимые
данные при ограниченных или минимальных
затратах. Спланировать эксперимент факти­
чески означает дать ответы на допросы, где,
как и когда проводить измерения. На по­
добные вопросы экспериментатор часто
отвечает, руководствуясь своей интуицией,
опытом. Однако такое интуитивное плани­
рование экспериментов не может, естествен­
но, служить объективным и падежным (га­
рантирующим от принятия ошибочных ре­
шений) основанием при планировании экс­
периментов (особенно дорогостоящих), не
может оно также гарантировать и опти­
мальность эксперимента (например, получе­
ние максимального количества информации
об исследуемом объекте при ограниченных
затратах). 'В связи с этим становится со­
вершенно очевидной -необходимость разра­
ботки и применения некоторых объективных
методов, которые позволили бы в опреде­
ленном смысле оптимальным образом орга­
низовывать '(планировать)
эксперимент
Применение подобных методов может ока­
заться весьма полезным и в измерительной
информационной технике, особенно при со­
здании и использовании ИИС.
Поскольку само измерение — это физи­
ческий эксперимент, то в зависимости от
того, как он будет спланирован, эффект от
проведения такого эксперимента может
быть различным. Проиллюстрируем это
весьма простым, но показательным приме­
ром, заимствованным из [Л. 4-1]. Пусть
требуется определить с высокой точностью
массы .Vi, л*2, х 3 трех объектов Л, В, С. пу­
тем их взвешивания. Требование высокой
точности взвешивания означает, что систе­
матические погрешности учтены и основную
роль играют случайные погрешности. Обо­
значая условно наличие взвешиваемого
объекта на весах символом -Ь, а его отсут­
ствие символом —, схему эксперимента
можно представить в виде табл. 4-1.
Таблица 4-1
Номер
опыта
Взвешиваемые объекты
В
А
Результат
взвешивания
С
1
__
_
_
2
•2*0
+
—
.+
—
—
+
z2
23
3
—
4
—
Таблица 4-2
Номер
Взвешиваемые объекты
А
1 В
__
_
1
2
3
+
—
—
4
+
+
+
Если случайная погрешность любого ре­
зультата взвешивания может быть оценена
величиной <JZ, то дисперсия, характеризую­
щая случайную погрешность определения
массы объекта А, будет равна:
D l X tJ=D[Zt - Z о] = 2 с£
аналогично оцениваются погрешности для
объектов В и С. Этот же эксперимент мож­
но спланировать и по-иному (табл. 4-2),
причем кроме плана проведения экспери­
мента больше ничто не изменяется, в том
числе п количество опытов. В соответствии
с-этим планом производится последователь­
ное взвешивание объектов С, Л, В, а .в по­
следнем опыте взвешиваются все объекты.
Масса каждого из объектов может быть
определена по формулам:
22 —
Z3 - j - Z4 e
2
9
— z, — z2 + z3 + z4 .
*2 —
2*
+
*3 —
4
2, —
2, —
9
+
—
—
+
Zx
z2
z3
Z4
Из этих формул видно, что при опре­
делении массы каждого объекта результат
не искажается ошибками взвешивания дру­
гих объектов, так как они входят в форму­
лу дважды и с разными знаками. Диспер­
сия результата для объекта Л при таком^
плане эксперимента будет равна:
Д № ] = •*.
2j +
1 с
Аналогично
Эта таблица отображает традиционную
схему (традиционный план) взвешивания,
когда вначале производят «холостое взве­
шивание» для определения нулевой точки
весов (опыт 1), а затем поочередно взвеши­
вают каждый из объектов. При таком пла-.
нировании эксперимента масса каждого
объекта оценивается по результатам двух
опытов:
X i= zi—z0; * 2= 22—z0; *3 = 23- 7.20.
—
Р е зу л ь т а т
взвешивания
Z3 -f - Z4
pV3] = 4
т. е. несмотря на одинаковое число опытов
второй план взвешивания позволяет полу­
чить результаты с дисперсией в 2 раза
меньшей, чам первый план.
Полезность применения методов плани­
рования экспериментов в ИЙТ обусловлена
тем, что при проектировании ИИС неизбеж­
но возникает вопрос о модели исследуемогообъекта, для Сбора информации о котором
предназначена проектируемая система. Дру­
гими словами, речь идет о применении ме­
тодов планирования эксперимента при внеш­
нем проектировании ИИС, когда приходит­
ся решать задачи выбора количества изме­
ряемых величин, расположения датчиков на
исследуемом объекте и т. п.
/При внутреннем .проектировании ИИС
(выбор структуры системы, ее функциональ­
ных блоков и т. п.) неизбежно приходится
сталкиваться с необходимостью эксперимен­
тальной проверки принятых решений (на­
пример, экспериментальная проверка маке­
тов некоторых функциональных блоков си­
стемы), т. е. опять с задачей планирования
экспериментов.
В настоящее время разработаны раз­
личные /методы планирования эксперимен­
тов, стандартные планы для типичных за­
дач планирования и т. д. Все они состав­
ляют предмет теории эксперимента или,
точнее, математической теории планирова­
ния эксперимента, причем математический
аппарат, который попользуется при опти­
мальном планировании экспериментов, ба­
зируется на методах математической ста­
тистики и методах решения экстремальных
задач. Изложению теории планирования экс51
периментов посвящен ряд монографий
[Л. 4-1—4-5], к которым отсылаем читате­
лей, желающих обстоятельно ознакомиться
с этой теорией. В настоящей главе изла­
гаются лишь некоторые основные идеи и
методы теории планирования экспериментов
•с целью привлечь внимание специалистов
по ИИС к этой интересной, но пока еще
мало применяемой в ИИТ теории.
4-2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ
ИДЕИ ТЕОРИИ ПЛАНИРОВАНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для того чтобы спланировать экспери­
мент, имеющий целью изучение некоторой
системы ((процесса, объекта), сначала не­
обходимо достаточно ясно и четко сформу­
лировать цель эксперимента, т. е. указать,
какие именно параметры системы необхо­
димо измерять, какие выбирать значения
независимых переменных (входных вели­
чин), и т. л. Естественно, что при этом не­
обходимо -располагать некоторым математи­
ческим. описанием (математической мо­
делью) исследуемой системы. В зависимо­
сти от того, какая математическая модель
является подходящей для описания той или
иной системы, последние разделяют на хо­
рошо организованные (детерминированные)
и плохо организованные (диффузные, боль­
шие) системы.
В- хорошо организованных системах
можно выделить определенные процессы,
зависящие от небольшого числа перемен­
ных, поддающихся изучению. Результаты
в этом случае можно представить в виде
функциональных связей, которым приписы­
вается роль законов. Другими словами, хо­
рошо организованные системы представ­
ляют собой детерминированные системы,
при исследовании которых предполагается,
что значения всех независимых переменных
(факторов), кроме одной, можно поддер.живать на определенном уровне, а одну
переменную (каждую по очереди) варьиро­
вать с целью установления ее влияния на
интересующую нас выходную величину. На­
пример, при исследовании такой системы»
как проволочный тензодатчик, можно счи­
тать, что выходная величина — сопротивле­
ние тензодатчика R — является функцией
двух основных независимых переменных —
температуры t и деформации Al : R =
=|ф(/, А/). Для исследования этой зависи­
мости можно спланировать так называемый
однофакторный эксперимент, при котором
сначала изучается зависимость RM при t=
= const, а затем зависимость R(t) приA/=const. Подобная методология однофак­
торного эксперимента является весьма рас­
пространенной в технике эксперимента, не­
смотря на то, что часто она не имеет серь­
езных обоснований и не позволяет получить
хорошие результаты хотя бы потому что
не так уж часто реальные системы можно
считать хорошо организованными
Чаще всего экспериментатору прихо­
дится иметь дело с плохо организованными
(диффузными) системами, в которых дей­
ствуют многие факторы, плохо поддающие­
ся полной стабилизации, и, кроме того, мно­
гие из этих факторов вообще трудно зара­
нее учесть при составлении математической
модели изучаемой системы. Поэтому при
экспериментальном исследовании диффуз­
ных систем детерминированные модели и
методы становятся непригодными, и в этих
случаях необходимо использовать статисти­
ческие модели и методы, в частности мето­
ды многомерной математической статистики
(многомерной потому, что приходится учи­
тывать- действие многих факторов). Эти ме­
тоды по существу представляют собой ло­
гически обоснованные, формализованные
методы экспериментального исследования,
когда экспериментатор сознательно отказы­
вается от детального изучения механизма
всех процессов и явлений, протекающих
в системе. Суть этих методов сводится
к тому, чтобы, изменяя возможно большее
количество независимых переменных (фак­
торов), найти оптимальные в определенном
смысле
условия
протекания
процесса.
В этом и заключается методология так на­
зываемых многофакторных экспериментов,
при планировании которых возникают ти­
пичные задачи математической статистики:
выбор оптимальной стратегии эксперимента
в условиях неопределенности, обработка
результатов измерений, проверка гипотез и
принятие решений.
Следует отметить, что при изучении да­
же детерминированных систем эксперимен­
тальными методами из-за погрешностей ре­
зультатов измерений невозможно получить
точные значения измеряемых величин, а по­
лучаются лишь некоторые оценки этих зна­
чений (см. ч. 2, разд. Б). (Поэтому и здесь
необходимо применять методы математи­
ческой статистики для получения «хоро­
ших» оценок, определения их достоверно­
сти и т. п.
Таким образом, необходимость широко­
го применения идей и методов математиче­
ской статистики в экспериментальных иссле­
дованиях вполне закономерна, а следова­
тельно, вполне 'закономерны и некоторые
изменения методологии эксперимента, воз­
никающие /под влиянием математической
статистики. Это влияние сказывается, в,, ча­
стности, в том, что изменились требования
к математическому описанию изучаемых
объектов. Математические модели все реже
имеют вид некоторых законов Более того,
само понятие математической модели трак­
туется весьма широко и часто противопо­
ставляется понятию закона. Вообще неко­
торый закон может быть верным или не­
верным, и бессмысленно говорить, например,
о «хорошем» или «плохом» законе в смыс­
ле соответствия его изучаемому явлению
В этом смысле математическая модель
\ является более широким понятием, так как
она должна с определенной точки зрения
отражать исследуемый объект Поэтому
для одного и того же объекта могут быть
построены многие математические модели,
отражающие разные подходы к описанию
свойств исследуемого объекта.
Традиционный путь (построения матема­
тической модели- 'исследуемого объекта
•можно представить (Следующим образом.
Вначале выдвигаются некоторые логически
обоснованные предположения (гипотезы)
исходя из них описывают .поведение объек
та, обычно в виде дифференциальных урав­
нений, при весьма малых изменениях факто­
ров; (решение дифференциальных уравнений
дает интересующие нас функциональные
зависимости, которые затем сопоставляют
с данными эксперимента (при этом обычно
используются статистические критерии и
методы)
Однако при описании сложных '(диф­
фузных) систем не всегда имеется возмож­
ность сформулировать и обосновать некото­
рые априорные гипотезы, поэтому в таких
случаях широко используются так называе­
мые полиномиальные модели. Система при
этом представляется в виде некоторого
«черного ящика» с доступными для измере­
ния (Входными и выходными параметрами.
Задача состоит в том, чтобы установить
связь между выходным параметрам и мно­
жеством входных параметров системы, ни­
чего фактически не зная о механизме явле­
ний в системе. При этом предполагается,
что механизм этот можно описать диффе­
ренциальными уравнениями, но из-за слож­
ности -системы даже не делается попытка
составить уравнения: предполагается, что
дифференциальные уравнения можно ре-1
шить, но решение неизвестно, неизвестен
даже аналитический вид функции, являю­
щейся решением дифференциального урав­
нения. В этих условиях зависимость выход­
ного параметра системы от входных (иско­
мая функциональная зависимость) пред­
ставляется в виде полинома (линии регрес­
сии), коэффициенты которого (коэффициен­
ты регрессии) определяются по данным
эксперимента. Методика получения решения
и анализа экспериментальных данных при
полиномиальной модели разработана в -ма­
тематической статистике: это регрессионный
анализ, который находит широкое практи­
ческое применение. Несколько более деталь­
но вопросы регрессионного анализа и пла­
нирования. регрессионных экспериментов
будут изложены в следующих параграфах
настоящей главы.
Применение статистических методов
в технике эксперимента кроме изменения
требований к математическому описанию
исследуемого объекта привела также к из­
менению привычных взглядов на постанов­
ку и проведение самого эксперимента. Это
находит свое отражение в так называемой
концепции рандомизации,
используемой
при планировании экспериментов. Суть этой
концепции состоит в том, чтобы обеспечить
случайность действия различных факторов,
т. е. план эксперимента составляется таким
образом, чтобы все воздействующие факто­
ры оказывали случайное влияние на изучае­
мое явление. Рандомизация эксперимента
стала одним из основных приемов и одной
из важнейших предпосылок при планирова­
нии экспериментов.
Целесообразность использования рандо­
мизированных планов обусловлена тем, что
даже систематически действующие факто­
ры, которые трудно учесть и контролиро­
вать, могут быть изучены (их влияние
может быть выявлено) статистическими ме­
тодами, составляющими раздел -математиче­
ской статистики — дисперсионный анализ
Основную цель дисперсионного анализа
поясним на простом примере однофактор
кого анализа, когда проверяется действие
только одного фактора. Пусть например
одна и та же величина измеряется т одно
типнымн измерительными приборами и тре­
буется установить, можно ли считать си­
стематические погрешности этих приборов
одинаковыми. Другими словами, требуется
проверить влияние одного фактора — при­
бора — на погрешность результатов измере­
ний. Выполним с помощью каждого прибо­
ра серию из п измерений. Всего получим
пт результатов измерений гц, где i — но­
мер прибора (i= 1, . т\ т — количество
приборов);
/ — номер измерения
(/=»
= 1, . . га).
При эксперименте будут получены сле­
дующие результаты измерений (табл. 4-3):
Таблица
4-3
ПриЗоры
Измерения
1
2
2ц
... /
»
/72
1
2
Zl2
z 2l
Z2t
Zj2
«ml
Zm2
1
Z\l
Z2i
ZH
z mi
Z2n
Zjn
Zmn
Z2
z]
п
Среднее
zl
1
Оценка дисперсии результатов измере­
ний ((предполагается, что все пт результа­
тов представляют собой выборку из одной
генеральной совокупности):
п т
= ^г= гг)
(* i-**>••
i=l /=1
(4-1)
Оценка дисперсии, характеризующая
рассеяние средних результатов измерения
матической статистики — последовательный
анализ. Разработанные методы последов а
тельного анализа [Л. 4-7 4-8] позволяют
Д
*
( 7
) =
~
Т
(4‘2) строить последовательные процедуры вы­
бора между двумя гипотезами и являются
/=1
фактически обобщением классических про­
В формуле (4-2) " — среднеарифмети­
цедур проверки гипотез, основанных на за­
ческое всех пт измерений.
ранее спланированном эксперименте (на­
'Проверим теперь нулевую гипотезу, со1
пример, на заранее фиксированном объеме
гласно которой центры рассеяния показа­
выборки).
ний каждого из приборов ’совпадают (т. е.
В нашем примере с одним контролируе­
гипотезу о равенстве систематических по­
мым параметром можно, задавшись значе­
грешностей приборов). Если нулевая гипо­
ниями погрешностей первого и второго рода
теза верна, то расхождение между D* (z-j)
(см. гл. 18) и зная значения хдоп и о, по­
и D* (zj) несущественно; если же обнару­
строить границы, выделяющие область при­
жится существенное расхождение между
нятия гипотезы I о годности контролируе­
дисперсиями, то с большой вероятностью
мого объекта (область / на рис. 4-1),
можно считать, y o систематические по­
область принятия альтернативной гипоте­
грешности приборов различны.
зы II (область II) и область неопределен­
Идеи рандомизации и изучения рассея­
ности. На рис. 4-1 показан случай, когда
ния используются и в других методах ста­
принимается гипотеза I после четырех по­
тистического
анализа — методе
главных
вторных операций контроля. Последователь­
компонент, факторном анализе, дискрими­
ный анализ и последовательное планирова­
нантном анализе.
ние экспериментов вооружают эксперимен­
Не всегда возможно или целесообразно
татора четким, хорошо согласующимся
планировать заранее весь эксперимент.
с интуицией решающим правилом принятия
В этих случаях применяется стратегия по­
решения. Кроме того, оказывается, что
следовательного планирования, или после­
в ряде случаев при .последовательном ана­
довательного эксперимента, заключающаяся
лизе требуется в среднем в 2 раза меньше
в том, что планируется сначала некоторый
опытов (измерений), чем при классических
этап (шаг) эксперимента, затем производит­
методах, когда для заданных значений оши­
ся анализ полученных данных и по его ре­
бок первого и второго рода заранее фикси­
зультатам принимается решение о следую­
руется число опытов. Несколько более под­
щем этапе
(планирование следующего
дробно применение последовательного ана­
шага), в том числе может быть принято
лиза при контроле рассматривается в ч. 3,
решение и о прекращении эксперимента.
гл. 18.
Пусть, например, некоторый параметр *
Рассмотренный ранее пример планиро­
контролируемого объекта не должен превы­
вания эксперимента для определения масс
шать допустимого значения хдоп для того,
трех тел является иллюстрацией еще одной
чтобы принять гипотезу о годности объекта.
новой идеи, которую внесла математическая
Система контроля характеризуется случай­
статистика в теорию эксперимента, — идеи
ной погрешностью с дисперсией о2. После
оптимального использования пространства
выполнения контрольных операций получен
независимых переменных, или, как ее часто
результат контроля * 1 = хДОп+ а. В этом
называют, идеи многофакторного экспери­
случае, очевидно, нет достаточных ’основа­
мента. Суть этой идеи состоит в том, что
нии для принятия или отбрасывания гипо­
при планировании экспериментов, в которых
тезы о годности контролируемого объекта
необходимо учитывать влияние многих не­
и, следовательно, необходимо запланиро­
зависимых переменных (факторов), экспе­
вать получение еще одного результата кон­
риментатору предлагается ставить экспери­
троля. Пусть этот результат будет х2=
менты так, чтобы изменять все факторы
= *доп—а/2. Что делать в этом случае?
сразу, в отличие от традиционного плани­
Какую принять гипотезу? Сколько еще про­
рования, когда экспериментатор изучает
изводить повторных операций контроля?
влияние каждого фактора в отдельности,
Ответы на эти вопросы дает раздел матеизменяя только его значения при фиксиро­
ванных значениях остальных факторов
Оказывается, что такое многофакторное
планирование является более эффективным,
чем однофакторное, так как позволяет зна­
чительно уменьшить погрешности определе­
ния интересующих экспериментатора вели­
чин. Покажем это на .примере линейного
регрессионного анализа.
Пусть некоторая величина х линейно
зависит от т факторов у i, . • Ут. Уравне­
Число сиагоб
ние регрессии будет иметь вид:
Рис. 4-1. Пример выполнения последова­
X~bo + biyi+
+ЬтУту
(4-3)
тельного анализа.
каждого прибора:
т
где b0, bь
bm — коэффициенты регрес­
сии, которые необходимо определить по
экспериментальным данным.
Так как количество подлежащих опре­
делению коэффициентов регрессии на еди­
ницу больше количества факторов, то
к т действительным факторам необходимо
добавить один (ш + 1)-й фиктивный фактор.
Будем считать, что значения каждого фак­
тора могут находиться только на одном из
двух уровней, которые условно будем обо­
значать + 1 (верхний уровень) и —1 (ниж­
ний, уровень). При однофакторном плани­
ровании (поочередное изменение только
одного фактора) дисперсии оценок коэффи­
циентов регрессии будут равны о2[6г] =
= с“ /2/г (а ^— дисперсия, характеризующая
погрешность эксперимента; п — число по­
вторных измерений при изменении каждого
фактора) и, очевидно, не будут зависеть от
общего числа факторов. Если же изменять
все переменные одновременно, то оценка
дисперсии каждого из коэффициентов рег­
рессии будет вычисляться по всей совокуп­
ности (in+l)n опытов, так что при некото­
рых условиях можно получить оценку
в (ш+1) раз меньшую, чем при однофак­
торном эксперименте. TaKiiei образом, при
увеличении числа независимых переменных
т, учитываемых .в эксперименте, эффектив­
ность' многофакторного эксперимента растет
как т+ 1.
Повышение эффективности многофак­
торного эксперимента (уменьшение диспер­
сий оценок коэффициентов регрессии) мож­
но объяснить следующим образом. В линей­
ном регрессионном анализе коэффициенты
регрессии при заданной погрешности экс­
перимента Ох определяются тем точнее, чем
больше радиус обследуемой сферы, т е.
чем больше диапазон изменения независи­
мых переменных. Например, в однофактор­
ной задаче (рис. 4-2), чем больше расстоя
•ние между точками у\ и г/2> в которых про­
изводится измерение, тем точнее оценивает­
ся коэффициент регрессии '(угол наклона
прямой регресии ab) * Многофакторные пла­
ны позволяют увеличивать радиус обсле­
дуемой среды не только путем увели­
чения интервалов изменения факторов (что
не всегда возможно по условиям экспери­
мента), но и опираясь на свойства много­
мерного пространства. Действительно, в
одномерном случае радиус обследуемой
сферы равен 4 (.по-прежнему считаем, что
переменные варьируются на уровнях ±1),
в двумерном случае этот радиус равен, оче­
видно, V2 (радиус окружности, описанной
вокруг квадрата со стороной, равной 2),
в случае m-мерного пространства радиус
обследуемой сферы равен V т.
Следует отметить, что не всякий много­
факторный эксперимент позволяет умень­
шить дисперсию оценок коэффициентов рег­
рессии в (т + 1 ) раз. Этого можно достичь
A x
/
(
a
Nv
/
-l\/J
■
— j4 \ /
\
/
---------- 5^
Уг
а)
У/
в)
У2
Рис. 4-2. К определению угла наклона пря­
мой регрессии.
только путем соответствующего планирова­
ния .многофакторных экспериментов (напри­
мер, используя при линейной регрессии спе­
циальные планы, так называемые дробные
реплики).
В заключение этого параграфа хочется
сделать еще одно замечание. Рассмотренный
здесь далеко не полный ‘ перечень идей,
относящихся к планированию эксперимен­
тов, не решает, естественно, проблемы экс­
периментальных исследований во всей ее
многогранности и полноте. Однако умелое
использование подобных идей .позволяет со­
кращать объем экспериментальных исследо­
ваний и более четко интерпретировать ре­
зультаты эксперимента, дополняет и обо­
стряет интуицию экспериментатора.
4-3. ПЛАНИРОВАНИЕ
РЕГРЕССИОННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Многочисленные задачи эксперимен
тальных ’исследований на математическом
языке могут быть сформулированы следую­
щим образом: в результате эксперимента
необходимо получить некоторое представ­
ление о зависимости интересующей иссле­
дователя величины X от нескольких неза­
висимых переменных (факторов) уи . . ., ук.
Эти переменные (факторы) задают &-мерное факторное пространство точек, ордина­
тами которых являются значения у\, . .., уь.
Функциональная зависимость при фиксиро­
ванном X
yi..... Ук)
U
,=
.£
'( 4-4 )
•называется ф у н к ц и е й о т к л и к а , или
п о в е р х н о с т ь ю отклика.
В общем случае аналитический вид
функции отклика может быть неизвестным,
поэтому приходится использовать полино­
миальные модели, т. е. представлять' при­
ближенно функцию отклика в виде полино­
ма (такое представление, очевидно, можно
использовать и тогда, когда вид функции
отклика известен):
k
k k
£ = Ро + 2 I
+2 2
i= 1
i= 1/=1
+
(4-5)
Результаты измерений величины g при
различных значениях у и . ., y h будут, оче­
видно, случайными величинами, так как
измерения производятся с погрешностями
(случайными). Поэтому значения у и ..., Ук
будут определять величину g лишь в сред­
нем, т. е. функция отклика будет опреде­
ляться как
математическое
ожидание
М[Х\уи . . yh]. Задача состоит в том; что­
бы по (результатам эксперимента оценить
коэффициенты р0 Pi . . . . Таким образом,
функция отклика есть
............ Ук]=1(Уь . . . .
Ук, Р, Pi ■ • •)
(4-6)
и представляет собой у р а в н е н и е р е г ­
р е с с и и ; эксперименты, целью которых
является поиск оценок неизвестных пара­
метров р0, Pi . . . ( к о э ф ф и ц и е н т о в
р е г р е с и и) или неизвестной поверхности
отклика, называются регрессионными; про­
цедура поиска этих оценок называется
р е г р е с с и о н н ы м а н а л и з о м.
В дальнейшем при изложении регрес­
сионного анализа воспользуемся матричны­
ми обозначениями. Итак, в некоторых точ­
ках
^-мерного
фактора
пространства
у и ..., у и производятся измерения величи­
ны X , являющейся функцией факторов
Уи . .., ун. Эти факторы образуют матрицустолбец
У\
где
есть вектор оцениваемых параметров, со­
ставляющими которого являются все коэф­
фициенты регрессии f3o, Pi, .. ., Pi, ..
. . ., Pij, . . ., Pi i, •.
?1
Ф(у) =
ъ
(y)
(у)
fm (У)
— вектор известных функций (например,
ф!(У) = Ь фг(у) =У и т. д.).
Индекс «т» означает транспонирование
матрицы.
При определении опенок параметров О
естественно потребовать, чтобы искомые
оценкой обладали по возможности такими
свойствами, как состоятельность, несмещен­
ность и эффективность (см. гл. 14). Кроме
того, обычно ищут линейные оценки, т. е.
такие, которые можно представить в виде
tf* = Lx,
У2
у= ; .
Ук
Предположим, что выполнено п изме­
рений, результаты которых можно предста­
вить матрицей-столбцом
(4-8)
где О*— вектор оценок; L — матрица по­
рядка тХп.
Оценки, обладающие перечисленными
выше свойствами, называют н а и л у ч щ и
ми л и н е й н ы м и о ц е н к а м и , а для их
определения можно воспользоваться сле­
дующей теоремой (см. [Л. 4-4]):
наилучшими линейными оценками для
неизвестных параметров О являются
tf*=T-iy, -
(4-9)
где Т — неособенная квадратная матрица
порядка т с элементами
п
*«
причем эти измерения производились соот­
ветственно в точках с координатами уи,
. . ., Ук1\ У12, 1/22, . . ., Ук2\ . •
y in ,
Угп, . . . . Укп . Будем считать также, что все
1/21,
результаты измерений представляют собой
независимые, нормально распределенные
случайные величины Х и ..., Х п с дисперСИЯМИ 2 ........о*.2
Уравнение регрессии можно записать
в следующем виде:
м [X I у] = I (у, А) = Фтф (у) =
т
= 2
з=|
д 9фз(У).
(4-7)
Tpq = 2 toflv (Уi) Уя. (Уz)p.
Гт
1=1
х — матрица-столбец с элементами
п
xa= 2 “ i^i?3 (уо
/=i
-— г) j / == 1, 2, ... , п ,
*1
Матрица Т называется и н ф о р м а
ц и о н но й м а т р и ц е й Ф и ш е р а .
Матрица Т-1, обратная информационной
матрице, называется д и с п е р с и о н н о й ,
или к о в а р и а ц и о н н о й матрицей D [О*]
оценок ^ (иногда ее называют м а т р и ц е й
п о г р е ш н о с т е й ) Диагональные элемен
ты этой матрицы определяют дисперсия
оценок, а нсдиагональные элементы — ко­
вариации соответствующих им оценок (ко­
эффициентов регрессии).
Определение оценок в соответствий
с приведенной теоремой при сделанных
•предположениях означает фактически опре­
деление оценок по методу наименьших
квадратов Поэтому оценки О*, полученные
по формуле (4-9), обладают том свойством,
что минимизируют диагональные элементы
матрицы D [Ф*].
Доказано
также
(см.,
например,
[Л. 4-4]), что наилучшие линейные оценки
Ф* обладают наименьшей дисперсионной
матрицей D[tf *] среди всех линейных несме­
щенных оценок и определитель |1>['Ф*]| так­
же наименьший, т. е.
где #п —вектор любых линейных несмещен­
ных оценок.
Так как целью регрессионных экспери­
ментов является получение оценок коэффи­
циентов регрессии, то качество (или опти­
мальность) таких экспериментов и соответ­
ствующих им планов естественно оценивать
в зависимости от точности получаемых
в результате эксперимента оценок. Точ
ность оценок О* характеризуется их дис­
персионной матрицей
поэтому кри­
терии оптимальности планов регрессионных
экспериментов обычно формулируются в ви­
де некоторых требований, предъявляемых
к дисперсионной (а следовательно, и к ин­
формационной) матрице.
.Прежде чем формулировать критерии
оптимальности планов, уточним Понятие
плана регрессионного эксперимента.
Учитывая, что в общем случае в каж­
дой точке факторного пространства у мо­
гут производиться несколько независимых
измерений, планом регрессионного экспери­
мента e(iV) называется совокупность велип
чин (У1, п ),
(у
Г п ) , 2 г* = ^ ’ где
=1
N — общее количество измерений.
План называется D-оптимальным, если
он минимизирует определитель дисперсион­
ной матрицы (соответственно максимизи­
рует определитель информационной матри­
цы), т. е. D-оптимальное планирование за­
ключается в отыскании
min | D |
ный план минимизирует объем этого эллип­
соида.
План называемся ^-оптимальным, если
он минимизирует след S P (сумму диаго­
нальных элементов) дисперсионной ма­
трицы
тп
min SPD = min
• №
Dgo;
e (N) ^
Л-оптимальный план минимизирует сред­
нюю дисперсию
наилучших
линейных
оценок.
'Кроме перечисленных критериев опти­
мальности находят применение также мини­
максные критерии (например, минимум ма­
ксимальной дисперсии функции отклика),
информационные и др. Оказывается, что
в некоторых частных случаях план, опти­
мальный в смысле одного критерия, одно­
временно оптимален и по другим крите­
риям. Например, планы, оптимальные по
минимаксному критерию, являются также
D-оптимальными; если дисперсионная ма­
трица имеет вид D = CJ, где С — константа,
a J — единичная матрица, то план, которо­
му соответствует такая матрица и который
Л-оптимален, будет также D-олтимальным.
Задача построения оптимальных планов
регрессионных экспериментов в общем слу­
чае является весьма сложной, поэтому ее
решают обычно с использованием ряда
ограничений (например, поверхность отклн
ка является линейной или квадратичной
функцией независимых переменных и т. д.).
В настоящее время наиболее разработана
теория D-оптимальных планов для линей
ной регрессии [Л. 4-2, 4-5].
4-4; ПЛАНИРОВАНИЕ
ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ВЫЯСНЕНИЮ
МЕХАНИЗМА ЯВЛЕНИЯ
Эксперименты по выяснению (механизма
явления имеют своей целью определение
•математической модели, описывающей ис­
следуемое явление (объект) При планиро­
вании таких экспериментов исследователь
обычно располагает некоторой априорной
информацией об исследуемом объекте, и
в зависимости от этой априорной инфор­
мации возникают три различные постановки
задач.
1.
Математическая
модель
объекта
априори известна, т. е. известен аналитиче­
ский вид функции отклика £(у, Ф), и тре­
буется определить вектор параметров
в (N)
или
max I Т\.
в (/V)
Определитель дисперсионной матрицы
|D | (его называют также обобщенной дис­
персией) характеризует объем эллипсоида
рассеяния оценок Ф*, поэтому D-оптималь­
или известен не только вид функции
Е(У, Ф), но и предварительные оценки 0*о,
которые необходимо уточнить.
2.
Известно, что функция отклика со­ ра|.метров), обычно удается и в этом случае
впадает с одной из функций gi (у, ft),
решить задачу стандартными Методами.
Ъ(У, 0)» • • м ё<7(У. А) и требуется опреде­
Достаточно полное описание методов
лить, какая из этих функций является
решения первой задачи имеется в работе
истинной и оценить ее параметры. При этом
[Л. 4-4], многие методы планирования \\
предполагается, что в различных моделях
описания различных оптимальных плановвектор параметров fti '(/=1, ..., q) может
можно найти в 1[Л. 4-2, 4-3, 4-10].
иметь различную размерность. Другими
Более сложной является вторая зада­
словами, перед экспериментом исследова­
ча — планирование экспериментов по выбо­
тель .располагает несколькими возможными
ру наилучшей модели из некоторой задан
моделями (гипотезами) исследуемого явле­
ной совокупности; эта задача является,
ния, и задача состоит в том, чтобы поста
существу, задачей дискриминации гипотез.
вить эксперимент, позволяющий выбрать
Планирование дискриминирующих экспери­
такую модель, которая лучше всего соответ­
ментов заключается в поиске таких точек у,
ствует исследуемому явлению.
в
которых
конкурирующие
гипотезы
3.
Аналитический вид функции отклика gi (у, $ч), ..., е <7 (у, ftq) давали бы разные
5 (у, #) неизвестен, но известно (по крайней
результаты, т. е. результаты измерений
мере, предполагается), что функция откли­
в этих точках не должны быть инвариант­
ка в интересующей исследователя области
ны к замене одной проверяемой модели
может быть с достаточной точностью
другой. Здесь прежде всего возникают две
аппроксимирована конечным рядом по неко­
основные задачи. Первая — это выбор сово­
торой системе наперед заданных функций
купности конкурирующих моделей-гипотез
(например, полиномом). Требуется поста­
Естественно, что лучшие результаты могут
вить такой эксперимент, который позволил
быть получены тогда, когда число конку­
бы найти наилучшее описание функции
рирующих моделей невелико, а их совокуп­
ность содержит истинную модель. Эту за.
ё(у. #)
Математический аппарат планирования
дачу должен решать специалист той облаэкспериментов наиболее полно развит для
сти науки, к которой относится планируе­
решения первой из перечисленных задач.
мый эксперимент. Вторая задача — выбор
Применительно к этой задаче разработаны
некоторого оптимального решающего пра­
эффективные методы планирования как ста­
вила, позволяющего принимать или отвер­
тических '(планируется весь эксперимент
гать конкретные гипотезы. В качестве таких
в целом), так и последовательных (поэтап­
правил можно использовать решающие
ных) экспериментов. Методы статического
правила, основанные на сравнении взвешен­
планирования для широкого класса функ­
ных сумм квадратов отклонений по крите­
ций £(у, ft) разработаны настолько, что по­
рию у2, правила, основанные на критерии
добное планирование сводится, по существу,
отношения максимального правдоподобия
к выбору готовых таблиц, описывающих
на энтропийном критерии (мера Кульбака)
оптимальные планы экспериментов Некото­
и т. п.
рые трудности возникают в тех случаях,
Методы планирования дискриминирую­
когда функция £(у, ф) нелинейна по оцени­
щих экспериментов описаны в [Л. 4-1, 4-4^
ваемым параметрам ft. Однако, используя
4-9].
‘Наибольшие трудности встречаются при
линеаризацию функции — разложение ее
в ряд Тейлора в окрестности некоторой точ­
планировании экспериментов -в тех случаях,
ки Ф*о (точка предварительных оценок пакогда математическая модель исследуемого
явления совершенно неизвестна. Оптималь­
ные .планы экспериментов при неизвестном
виде функции £(у, О) в настоящее время
■еще не разработаны, и задача эта решается
обычно с помощью некоторой последова
тельной процедуры, предусматривающей
чередование экспериментов по уточнению
■параметров и дискриминирующих экспери
менто.в. Этот процесс поиска математиче­
ской модели (можно представить в виде
следующей схемы (рис. 4-3), [Я. 4-4].
Блок I отображает экспериментальный
этап работы, т. е. техническое осуществле­
ние ранее •спланированных экспериментов
(например, некоторых
предварительных,
«затравочных» экспериментов). Следующий
Рис. 4-3. Схема процесса поиска математи­
этап (блок 2) — оценка параметров О не
ческой модели.
которой предварительной (может быть гру­
/ — эксперимент; 2 — обработка эксперименталь­
бой) но известной модели £(у, #). После
ных данных и п оиск оценок искомых параметров;
этого (блок 3) проверяется, согласуется ли
3 — проверка согласия между моделью данны­
ми; 4 — планирование эксперимента по уточнению
описание функции £(у, А*), где ft*—вектор
параметров; 5 — пересмотр модели и выдвижение
полученных оценок, с экспериментальными
конкурирующей модели; 6 — планирован
ди­
данными Если согласуется, то эксперимент
скриминирующего эксперимент
можно прекратить либо спланировать его
по дополнительному уточнению оценок
(или некоторой наиболее интересной части
этих оценок). На схеме рис. 4-3 этому этапу
соответствует блок 4. Если же модель
Б(у, О*) плохо соласуется с эксперимен­
тальными данными, то требуется пересмотр
принятой модели путем более тщательного
анализа исследуемого явления и возможно
построение новой модели (блок 5). Нако­
нец, последний этап — планирование ди
скрим.книрующего эксперимента (блок 5)
который позволил бы выяснить, какая из
имеющихся
моделей лучше
описывает
исследуемый объект
При реализации такой последователь­
ной процедуры поиска модели используют­
ся, естественно, методы и критерии, приме­
няемые при .решении задач по уточнению
или определению оценок параметров и по
дискриминации моделей. Однако такое по­
очередное решение этих задач может при­
вести к плохим результатам (будет выбра­
на |.модель, плохо описывающая исследуемое
явление). Это связано с тем, что если вы­
брана неадекватная предварительная мо­
дель, то теряет смысл задача уточнения
оценок ее параметров а если -параметры
модели оценены грубо, то трудно осущест­
вить правильно дискриминацию моделей.
В связи с этим возникает весьма акту­
альная и вместе с тем сложная задача по­
строения таких .планов, которые были бы
оптимальны и в смысле уточнения пара-ме­
тров, и в смысле дискриминации моделей.
Здесь необходимо решить задачу выбора
некоторых обобщенных критериев оптималь­
ности. При разработке таких критериев
обычно используют некоторые функции от
известных частных критериев либо вводят'
новые критерии точности результатов экс­
перимента,
учитывающие
одновременно
информацию и по определению оценок па­
раметров, и по дискриминации моделей.
Обобщенным критерием первого типа
может -быть, например, следующий:
R = W XD + W A
(4-10)
где D — мера, зависящая от качества ди­
скриминации; А — мера точности оценки па­
раметров;
W2— весовые -множители,
которые должен выбирать исследователь.
Критерий R может означать конкретно
потери .в случае неправильного решения за­
дачи. Тогда D будет характеризовать поте­
ри, вызванные неправильной дискримина­
цией -модели, а А — потери из-за неточного
определения оценок неизвестных парамет­
ров. При использовании таких обобщенных
критериев .возникает трудность, связанная
с выбором весовых множителей Wx и W2.
Обобщенным критерием второго типа
может быть информационный критерий (на­
пример, среднее количество информации,
приобретенной в эксперименте).
Краткое изложение методов планирова­
ния экспериментов при неизвестной функ­
ции £ (у, А1) имеется в [Л. 4-1, 4-4].
4-5. ПЛАНИРОВАНИЕ
ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Необходимость в планировании экстре­
мальных экспериментов возникает при ре­
шении различных экстремальных задач
(задач оптимизации) в условиях, когда
исследуемые объекты (процессы) представ­
ляют собой диффузные .системы с неизвест­
ными механизмами (математическими моде­
лями) явлений. Типичными примерами та­
ких задач являются задачи оптимизации
различных химических, металлургических и
биологических процессов, протекание каж­
дого из которых зависит от многочисленных
факторов, влияние которых на процесс
трудно поддается функциональному описа­
нию. Поэтому и возникает задача экспери­
ментального (поиска оптимальных условий
протекания диффузионных процессов, а сле­
довательно, и задачи планирования таких
экспериментов. Таким образом, .планиро­
вание экстремальных экспериментов заклю­
чается в поиске таких значений факторов
(контролируемых переменных), которые
обеспечивают оптимальное в смысле неко­
торого критерия протекание процесса. На­
пример, для определенного химико-техноло­
гического процесса критерием оптимально­
сти может быть требование максимального
выхода продукта реакции, а планирование
эксперимента будет заключаться в поиске
таких значений факторов (температуры,
давления, концентраций реагентов и т. п.),
которые- обеспечивают это требование. Так
как зависимость выходного продукта от
факторов (поверхность отклика) априори
неизвестна, то в этом случае естественно
использовать полиномиальную модель, а для
нахождения оптимальных значений факто­
ров предусмотреть при планировании изме­
нения факторов в широких пределах. Одна­
ко проведение такого многофакторного экс­
перимента потребует,
очевидно, очень
большого числа опытов, (много времени и
больших затрат. Чтобы избежать этого,
-планирование экстремальных экспериментов
основывается обычно на «шаговом» мето­
де изучения поверхности отклика [Л. 4-2],
суть которого состоит в том, что вначале
ставится небольшая серия опытов для ло­
кального описания небольшого участка по­
верхности отклика полиномом первой сте­
пени, далее осуществляется движение по
поверхности отклика в направлении гра­
диента линейного перемещения, ставится
новая серия опытов и т. д. Этот шаговый
процесс продолжается до тех пор, пока не
будет обнаружена некоторая «почти стаци­
онарная» область, где линейная модель уже
чепригодна. В этой области используются
юлиномы шторой .степени и планируется
большая серия опытов.
Таким образом планирование экстре­
мальных экспериментов сочетает в себе
идею движения по (градиенту (крутого вос­
хождения .по поверхности отклика) с пла­
нированием многофакторных (регрессионных
экспериментов для локального описания по­
верхности отклика.
Следует отметить, что вопросы плани­
рования экстремальных экспериментов раз­
работаны в настоящее время достаточно
полно, изложению соответствующих мето­
дов .планирования и их практическому
использованию посвящено значительное чис­
ло работ.
Большинство основных результатов и
методов, касающихся планирования экстре­
мальных экспериментов, отражено в [Л. 4-2,
4-3, 4-5, 4-9].
ГЛАВА ПЯТАЯ
ДИСКРЕТИЗАЦИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ НЕПРЕРЫВНЫХ
ВЕЛИЧИН
5-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Любые Ьксперимеитальпые ме­
тоды получения количественной ин­
формации неизбежно связаны с не­
обходимостью дискретизации, т. _е.
с представлением непрерывных ис­
следуемых величин в 'непрерывном
виде.
Эта необходимость определяется
особенностями экспериментов, обу­
словленными такими характеристи­
ками средств ИИТ и эксперимента­
торов, как порог чувствительности,
время получения информации, раз­
мер элементов, воспринимающих ис­
следуемые величины, погрешность
экспериментальных
методов
и
средств ИИТ, возможность отобра­
жения полученной информации и
т. п. Все сказанное определяет то
обстоятельство, что результаты из­
мерения, контроля и т. п. всегда дис­
кретны.
В зависимости от исследуемой
непрерывной величины, от мерности
пространства, в котором она отобра­
жается, используются различные
виды дискретизации.
Если измеряемая непрерывная
величина сосредоточена в простран­
стве и неизменна во времени, то
возможно проведение только одного
вида дискретизации, который пазы
вается квантованием по уровню
Под квантованием по уровню под­
разумевается операция отнесения
значения непрерывной величины
к разрешенному значению шкалы
квантования средства ИИТ. С ма
60
тематической точки зрения опера­
ция квантования связана с округ­
лением значения непрерывной ве­
личины в соответствии с принятым
решающим правилом (например,
отнесение к нижней, верхней грани­
це интервала квантования или
к его середине). Нужно подчерк
путь, что при квантовании по уров­
ню в принципе еще не получается
количественная оценка исследуемой
величины, так как последняя связа­
на с операцией кодирования кванто­
ванного значения непрерывной ве­
личины.
В случае, если измеряемая не­
прерывная величина изменяется во
времени или распределена в прост­
ранстве, то может выполняться
квантование по одной координате
(например, квантование по време­
ни) и по двум координатам. На
рис. 5-1,а представлено квантование
непрерывной функции x(t) по вре­
мени. При этом в не которые момен
ты времени выделяются значения
11злгеряеIVгоЙ"в еличины, которые на
зьшаются
д и с к р е т а м и.
На
рис. 5-1,6 представлена функция
x(t), квантованная равномерно по
уровню и времени. Возможен слу
чай, когда x(t) может быть кванто­
вана
равномерно
по
уровню
(рис. 5-1,в), а интервалы времени
ti— ti-u ti+i— ti и другие не равны
между собой. ’
Если исследуемая величина яв­
ляется функцией двух и более ве­
личин, то, как правило, после про­
ведения операций квантования по
Рис. 5-1. Квантование" непрерывной измеряемой величины по времени и уровню.
квантование по вр ем ен и
и н ер а в н о м ер но е по вр ем ени.
а — равномерное к в ан тов ан и е п о вр ем ени; б — рав н ом ер н ое
р ав н ом ер н ое к ван тов ан и е по ур ов ню
каким-либо
координатам
(на
рис. 5-2 по координате у) в боль­
шинстве случаев удается перейти
к «сечениям» этой функции, изобра­
женным на рис 5-2.
Таким образом, квантование по
уровню и квантование по одной из
двух координат — обычно по време­
ни или пространству — является
основным видом дискретизации.
Вопросы дискретизации непре­
рывных величин
исследовались
весьма интенсивно в прикладном
плане специалистами в области си­
стем связи, вычислительной техни­
ки и в области ИИТ главным обра­
зом в связи с развитием цифровой
техники.
Имеются
монографии
[Л. 5-1, 5-2, 5-22] и материалы,
опубликованные в периодической
печати [Л 5-23—5-39], посвящен­
ные исследованию процессбв дис­
кретизации в ИИТ; в литературе по
информационной технике этому во-
Рис. 5-2. «Сечение» f(x , г/г) -
и у р ов ню ; в —
просу уделяется также значитель­
ное внимание [Л. 5-8, 5-9]. В насто­
ящей книге приводятся лишь основ­
ные положения, необходимые для»
изложения дальнейшего материала..
5-2. КВАНТОВАНИЕ ПО УРОВНЮ
В средствах ИИТ операцию
квантования по уровню выполняет
либо экспериментатор (если исполь­
зуется представление информации
в аналоговом виде), либо они вы­
полняются автоматически (в циф­
ровых измерительных приборах,,
в АЦП* входящих в состав ИИС).
Квантование по уровню приво­
дит ТГ погр,ешности“Хикогда ее на­
зывают шумом) квантования ПО'
уров ню, вызванной ш<ру_глениемзначения непрерывной/ неизвестной
измеряемой величины до какого­
-либо (обычночближайшего) знаде"ния известной дискретной величины..
Следует заметить, что в случае, если*
исследуемая величина в процессе
квантования по уровню изменяется:
во времени или в пространстве, то
появляется динамическая составля­
ющая погрешностйГКантования Эта
составляющая ‘‘обычно' уменьшается
до приемлемого значения путем
обеспечения соответствующего бы­
стродействия средств ИИТ.
В дальнейшем ограничимся рас­
смотрением статической составляю­
щей погрешности квантования, счи­
тая, что измеряемая величина в про-
б)
Рис. 5-3. К определению погрешности квантования по уровню.
а — округление к верхней границе интервала квантования; б — округление к нижней границе интер­
вала квантования; в — округление к середине интервала квантования.
цессе выполнения операций кванто­
вания неизменна.
Наиболее распространено в прак­
тике ИИТ равномерное квантова­
ние^ при кото|зом'^Дтгатгазон^^ме11сГния значений непрерывной величи­
ны разделен па п одинаковых ча­
стей — i u u e р в а л о в к в а п т о в а п и я q.
Зн ачен и я^...в пределах шага
квантования, нужно относить к опре­
деленному уровню квантования,
обычно к верхней или нижней-гра­
нице интервала квантования, либо
к сто середине (рис. 5-3). Погреш­
ность квантования AXjL= kq—x являетсТГ пери од ической функцией, изме­
няющейся в зависимости от значе­
ния х в пределах от 0 до —q при
отнесении значения х, попавшего
в данный интервал квантования,
к нижней его границе, от 0 до
-\-q— к верхней границе и от +q/2
до —q!2 — к середине интервала
квантования.
Так как X — случайная величина
с плотностью распределения /(х);
то и Ах — также случайная вели­
чина, зависящая от х. Тогда вероят­
ность появления значения х в интер­
вале (Xk— q/2, Xh + q/2) будет опре­
деляться вероятностью ошибки Ахк.
Математическое ожидание Ах и
x h + q/2
М [Дл:*] =
f
— х)
dx.
*h-<7/2
Дисперсия
•*■^+<7/2
DДх/г]
[ =
f (xh — x ) : ]' (x) dx.
x^-g/2
Полагая, что
<€ л\,акс — х у[Ип
можно считать, что /
постоянна
в интервале q иравна / (рис. 5-4)
Хк+Ч12
т. е.
f ( Xh ) q = J
Тогда
х,:-ч'2
М [Ддгц] = 0, а
■\+‘"2
D[Дхц] = f (Xk) f
=
Рис. 5-4. Плотность рас­
пределения квантуемой ве­
личины в пределах интер­
вала квантования.
= А / (Хк) Ч' = ~[2
Г
Ч\-
Следовательно, дисперсия D [Ах/,]
является произведением дисперсии
равномерно распределенной в ин­
тервале q величины х на вероят­
ность попадания х в этот интервал.
Просуммировав выражения для
П[Дл'Л] по всем уровням хи, полу­
чим дисперсию погрешности кванто­
вания как математическое ожидание
дисперсий на отдельных уровнях
квантованияDr=
Е 01ДЛ'*1=
п
п
Если
/ (xk) q = l , то Dz
sL
12 •
k— \
Таким образом, с достаточной
точностью погрешность квантования
можно полагать равномерно распре­
деленной в пределах интервала
квантования случайной величиной
с [Ал:*] == 0 и Д; = д2/12 (при от­
несении результата квантования
к середине кванта).
Выше кратко рассматривалась
погрешность при равных интерва­
лах квантования по уровню. Цозг
мож наодна ко постановка задачи
оптимального квантования по уров­
ню, при котором интервалы кванто­
вания могут быть не равны между
собой. Так, например решение этой
задачи с учетом функций штрафа
(см. гл. 2) позволяет получить по­
лезные результаты [Л 5-4].
Необходимо сказать, что прове­
дены многочисленные исследования
погрешностей квантования при уче­
те смещения шкалы квантования,
дрейфа и порога чувствительности
устройств сравнения и т. д. [Л. 4-1,
4-5]. Приведенный же выше матери­
ал позволяет в первом приближении
оценить погрешность квантования по
уровню.
5-3. КВАНТОВАНИЕ ПО ВРЕМЕНИ
И ВОССТАНОВЛЕНИЕ
НЕПРЕРЫНЫХ ИЗМЕРЯЕМЫХ
ВЕЛИЧИН ПРИ ФИКСИРОВАННЫХ
ИНТЕРВАЛАХ КВАНТОВАНИЯ
Квантование непрерывной функ­
ции по аргументу (времени или про­
странству) с целью получения дис­
кретных значений этой функции мо­
жет производиться либо таким об­
разом, чтобы исследуемая функция
могла быть восстановлена по полу­
ченным дискретам, либо так, что
восстановление
ее
невозможно.
К случаям квантования непрерыв­
ной функции без возможности вос­
становления можно отнести кванто­
вание по времени при контроле (см.
гл. 18), при получении статистиче­
ских характеристик этой функции
(см. ч. 2, разд. Б), при измерении
экстремальных значений (см. гл. 11)
и т. п.
В данной главе рассматривается
квантование по времени непрерыв­
ной функции x(t ), связанное с вы­
бором таких ее дискрет, по которым
возможно восстановление с задан­
ной погрешностью этой функции
между узлами U (рис. 5-5).
ПлЖирование процесса кванто­
вания по времени связано с обосно­
ванием и принятием ряда решений.
В частности, необходимо:
1. Определить критерий погреш­
ности восстановления (приближе­
ния) x(t) в зависимости от ситуа­
ции, в которой измерение произво­
дится. Этот критерий может выби­
раться из оценок погрешности, рас­
смотренных в гл. 2.
2. Определить характер операг
ций квантования по времени. Наи­
более широко применяются фикси­
рованные (преимущественно, равно-
Рис. 5-5. Квантование по времени.
6S
мерные) интервалы квантования,
Поэтому основное внимание обра
значения которых определяются з а -'
щается на квантование по времени
ранее на основании информации
при восстановлении исходной функ
■о характере измеряемой величины.
ции внутри интервалов квантования.
При адаптивном квантовании по
Следует отметить, что математи
времени интервалы квантования пе- 1 ческой основой теории дискретиза
ременны и'зависят от поведения из­
ции являются математический ана
меряемой величины в данном интер­
лиз (теория аппроксимации, при
вале наблюдения
кладной анализ), а также теории
3.
Выбрать вид приближающей фильтрации и сглаживания [Л. 5-7,
(аппроксимирующей) функции.
5-11, 5-12]. Отсылаем к указанной
Для выявления- основных зако­
литературе читателей, желающих
номерностей процесса квантования
более подробно ознакомиться с ма­
•примем, что x(t) гладкая, /г-И раз
тематическими основами теории
дифференцируемая функция, что от­
дискретизации.
сутствует погрешность выделения
'дискрет x(ti) и узлов t\ и что время
а) Приближение многочленами. Крите­
рий погрешности восстановления — макси­
-фиксации дискреты x(U) стремится
мальное отклонение
к нулю (дискреты имеют вид
-6-функций).
Задача, рассматриваемая далее,
формулируется следующим обра­
Перейдем к определению интер­
зом: имеется непрерывная функция
валов квантования по времени не­
x ( t ), требуется определить интерва­
прерывной функции.
лы квантования по времени, при ко­
Решение этой задачи может быть
торых максимальное отклонение
выполнено по-разному, в зависимо­
между исходной и восстановленной
сти от того, что априори известно об
по ее дискретам функциями не пре­
x(t), и от требований, предъявляе­
вышало бы заданного значения. При
мых к измерительному эксперимен­
такой постановке задачи следует
ту. В частности, следует различать
уточнить, как понимать максималь­
необходимость получения аналити­
ное отклонение между этими функ­
ческого описания x(t) на всем уча­
циями. В частности, можно потребо­
стке наблюдения и в пределах каж­
вать, чтобы в узлах аппроксимации
дого интервала квантования с по­
погрешность восстановления отсут­
мощью многочленов невысокой сте­
ствовала, а между узлами не пре­
пени. Для
получения данных,
вышала заданного значения. Реше­
необходимых для аналитического
ние задачи в таком виде называет­
описания x(t) на большом участке
ся точечной интерполяцией. Можно
■наблюдения, используются измери­
поставить требование, чтобы по
тельные системы с ЭВМ или специ­
грешность аппроксимации еи не пре
ализированными устройствами, вос­
вышала заданного значения в любой
становление функции внутри интер­
точке на всем участке аппроксима­
валов квантования может произво­
ции. В этих случаях говорят о рав­
диться относительно просто и
номерном приближении функции.
используется в ИИС более широко.
Доказано [Л. 5-3], что наилучшее
равномерное приближение обеспе­
мх
чивается, если на интервале аппро­
ксимации Т имеются п + 2 точек
to<ti< ... < / n+1, в которых раз­
ность x ( t ) —Pn (t) принимает пооче­
редно значения еи—е, где Pn (t) —
*0 *7
fyr
аппроксимирующий многочлен, а
Рис; 5-6. Узлы аппроксимации не­
е = sup
\x(t) — Р„ (f)|.
прерывной функции.
Итак, пусть заданы /г+1 узлов
(to, Хо), (tu Xl), • ••> (tn, хп) функ­
ции x(t) (рис. 5-6). Определим
аппроксимирующий степенной мно­
гочлен, проходящий через все дис­
кретные значения функции'в ука­
занных узлах.
Такой многочлен п-й степени
Рп (0 =
-f- ctj — • -. —
}—ciiitn =
= 2 ahth
k—Q
должен удовлетворять условиям
Р (to) — ао+
Р (/j) — #о я А -|—. . . -|—
= Хо->
Xi,
р (tn)= cLо + а Л + .. . + antnn = x n.}
Решив эту систему уравнений,
можно найти коэффициенты аь. мно­
гочлена Pn (t), проходящего через
дискреты XkРешение
системы уравнений
в виде интерполяционного полинома
Лагранжа имеет вид:
X +1)
IPAt
n\
'
lyK
'
Аппроксимирующий . многочлен
Лагранжа совпадает с аппроксими­
руемой функцией в узлах. Между
узлами погрешность аппроксимации
может быть определена для функ­
ции x( t ), дифференцируемой /г+1
раз, в виде
s = |A'(0 — Р„(0 | <
^ (Я + 1)! П ( ' - ' • ) •
где
^ + i = su p |x n+1(/)|
t Gr
— максимальное значение модуля
(/г+ 1)-й производной x(t) па отрез­
ке аппроксимации.
Для равноотстоящих узлов
...(£ / — /г) | Д^п+1>.
PB(*)= £ * kZ* (/ ) =
п
Рассмотрим простейший" пример
использования многочлена Лагран­
жа. Положим, значения функции
x ( t ) = t 2 определены таблицей
t
П о * -о
/ =о
1фк
Для равноотстоящих дискрет ин­
тервал квантования A t= ti+1—ti для
всех i=0 1, ..., п постоянен Обо­
значив (/—to)/At=U можно полу­
чить:
П
П
мо -=
;=о
Ф
=
Д
x
(k
At] . . . [UAt — nAt) _
...[-{n-k)At\
^_U ( U - \ ) . . . ( U - n )
п
*=°
—
1)
и At (UAt — At)
\UAt—(k
At]
kAt ( k—\) At . . . At {— At) . .
101‘
014
9
При приближении этой функ­
ции многочленом нулевой степени
Pol(t) = 0, РО2( 0 = 1 (рис. 5-7); мно­
гочленом первой степени (рис. 5-8):
на интервале (0,1) Р „ ( t ) = + г у 0-f*
-f*
q' 1
на интервале (1, 2)
p . . ( ') = - f = £ 1 + - f e r 4 = 3( - 2;
многочленом второй степени
(<_ 0) (<-l) ^
1 (! —0) (f—2)" 4 (2- 0) (2- 1)
рmi(f-0)(f-2)L
функции x ( t ) = t 2 многочле­
ном нулевой степени
При приближении многочленом
первой степени погрешность ei =
= t2—t на интервале (0,1) прини­
мает максимальное значение при
/ = 0,5 и равна е1Макс = 0,25, на ин­
тервале
( 1,2) погрешность ег =
= /2—3/ + 2 принимает максималь­
ное значение б2макс = 0,25 при /=1,5.
В этом примере интервалы кван­
тования заданы и определялась по­
грешность аппроксимации при при­
ближении многочленом Лагранжа
различной степени.
Но возможна иная постановка
задачи — по заданной погрешности
аппроксимации определить интервал
квантования. Решение в этом слу­
чае возможно, если известно значе­
ние Мп+1.
При нулевой степени аппрокси­
мирующего многочлена |еМак с|<
^.MiAtoU UМакс= 1, следовательно,
| емакс |/Alt. В рассмотренном:
примере при t = 2 Mi = 2t= 4; если
¥
| бмакс | = 0,25, то А/о<0,06 и на ни
тервале (0,2) необходимо взять 34
интервала квантования.
Аппроксимация многочленом ну
левой степени (ступенчатая аппро­
ксимация) предусматривает восста­
новление исходной функции с экс­
траполяцией по предыдущему зна­
чению. Восстанавливающее устрой
ство при этом имеет наиболее про
стой вид и не вносит запаздывания
в процесс восстановления.
При восстановлении исходной
функции (рис. 5-7, штрпхпунктир
ные линии) многочленом нулевой
степени с интерполяцией (наилуч
шее приближение по Чебышеву) ин­
тервал квантования по времени мо­
жет быть увеличен вдвое (Д^1} ^
^ 2 1Смаке|/Mi), но при восстанов­
лении исходной функции вводится
запаздывание на интервал кванто
вания и несколько усложняется вое
станавливающее устройство (рис.
5-9).
Если аппроксимация производит­
ся многочленом первой степени
(линейная
аппроксимация),
то
| бмакс | ^ М2/2А/211U (U— 1) | .
Произведение /7(6/—1) имеет
максимальное значение при 67=1/2
Следовательно,
а восстановленная функция
ж* (0 = X
{ti)+
При аппроксимации многочлена­
ми второй
(п= 2) и третьей
J
2
1
О
Рис.
5-8.
Приближение
функции x ( t) = i2 многочле­
ном первой степени.
Рис. 5-9. Функциональная схема восстанав­
ливающего устройства.
[
степени интервалы Квантования бу­
дут равны:
I емакс
Д^2<
м
At3< л/ 24 Iем,
V м
соответственно.
Следует заметить, что при отно­
сительно больших значениях допу­
стимой погрешности (еМакс ^0,02)
разница между интервалами кван­
тования Ati и Atn^ 2 незначительна.
Лишь при малых погрешностях
(еманс<0,01) целесообразно рассма­
тривать возможность применения
многочленов со степенью /г^2 .
Из выражения для погрешности
аппроксимации с помощью многочле­
нов Лагранжа видно, что она зависит
не только от свойств аппроксимируп
ющей функции, но и от
П
i=0
.
т. е. от размещения выбранных уз­
лов
Рис.
5-10.
Размещение
узлов аппроксимации при
использовании многочленов
Чебышева.
гармоническое расположение (рис.
5-10), при котором узлы располо­
жены гуще к концам отрезка
[-1 . и .
Использование узлов Чебышева
приводит к минимальной погрешно­
сти аппроксимации. В частности,
при использовании аппроксимирую­
щего многочлена Лагранжа с узла­
ми Чебышева погрешность
Мп+
2п (п + 1)!
«4- 1
В этом случае при заданной по­
грешности аппроксимации определя­
ется степень приближающего много­
Наименьшим
= 1 /2 " на
члена, а интервалы квантования по
>=0
времени предопределены узлами
интервале
(—A t / 2 ^ t ^ A средиЧебышева. Неудобство аппаратур­
ной реализации многочленов с узла­
многочленов Pn(t) степени п обла­
ми Чебышева связано с неравномер­
дает многочлен Чебышева первого
ным квантованием по времени.
рода. Коэффициенты многочлена Че­
Остановимся далее на интерпо­
бышева первого рода определяются
ляционном
многочлене Ньютона, по­
так:
зволяющем при изменении числа
Tn (t) = cos (n arccos t) ;
узлов с увеличением интервала
Tn+l( t ) = 2 t T n ( t ) - T n-i(t),
аппроксимации уточнять состав мно­
гочлена, используя
определенные
t<g;
A
ранее коэффициенты. Это свойство
Выражения для первых четырех
многочлена Ньютона представляет
коэффициентов имеют следующий
интерес для процессов адаптивного
квантования по времеци. По суще­
вид:
ству интерполяционная формула
To(t) = U
Ньютона представляет иную форму
Ti(t)=t;
записи многочлена Лагранжа:
T2( t ) = 2 t 2— \Pn(t) =x(U) + (t—tQ)x(t0l £i) +
Tz(t) = 4 t 3—3/.
+ (t—U) (t—ti)x(t0, t\, t2) +
Корни многочлена (узлы) опре­
+ (t— to) (t—ti)
(t— tn-l) X
деляются путем решения уравнения
Xx(to,
tn).
Tn (t )= 0. Они имеют равномерное
П
кретные значения функции и ее про­
В
этой
формуле
x(tc, ...
...,
th )h = 2
п
являются разделен­ изводной в узлах аппроксимации.
ными разностями:
Л*(M i ) =
X{t*
f■iZ XL
t оU' \
... X ( t n - u t n)=
X (tn) —X (tn-i) — разделенные
tn- 1
ности первого порядка;
\ _ X (t
Л (Г0, fj, Г2) — /А
А
А
раз-
X (to* jjj .
/0_ /
’‘
X (tn - 1>^n)
-V(tn~2i
1»^п) '
| —£ (?n-2, *n-l) _ разделенные раз­
—
б) Среднеквадратичное приближение
Известно, что всякая периодиче­
ская функция х;(/), удовлетворяю­
щая условиям Дирихле (функция
ограничена, кусочно-непрерывна и
имеет конечное число экстремумов
за период), на отрезке [—Г/2, Г/2]
представляется рядом Фурье
со *
* (0 = - у - - f
--- t п — 2
ности второго порядка и т. д.
Если определены разделенные
разности (k—1)-го порядка, то раз­
деленные разности £-го порядка
определяются по формуле
X (tf,
+ bk sin Ш),
в котором коэффициенты
Г/2
а°= ~Т f
1
+
е = x ( t ) — p n (t) =
Г/2
ак =
*--- £ (^Z- 1» ••• ^z‘+k)*
При я узлах аппроксимации мо­
гут быть получены п разностей ну­
левого порядка x(ti)y п—1— перво­
го х (ti, /г-и) и одна разделенная
разность п-то порядка.
Погрешность аппроксимации вы­
ражается в форме
(t—to)
...
... (t— tn)x(to,
tn).
При равномерном квантовании
(/—ti)/At = U:
Pn (t)
= Л-°+
Ux\/д2-2 + ...
*W
-Г /2
X (t i - 1, , tj +ь- 1) ___
/f + h)
COS Ы -jk — \
j* л' (/) cos (&«)/) dt\
'
- Г /2
Г/2
bk = ~Y- j* x(t)sin(kv>t)dt.
—Г/2
Ряд Фурье в комплексной форме
(с использованием формул Эйлера)
cos 0 = ----- ^ ----- , smO =
ci0 —
2
представляется в виде
i c W - i j c * * '.
/г=1
U ( U - \ ) . . . fa _
п\
(Л1 — 1)]
„
.
Л п!2>
здесь л*°, ..., хп — разделенные раз­
ности нулевого, ..., я-го порядков.
Известны
интерполяционные
формулы Гаусса, Стирлинга, Бессе­
ля, являющиеся разновидностями
формулы Ньютона.
Обобщением многочленов Ла­
гранжа и Тейлора является много­
член Эрмита, при использовании ко­
торого должны быть известны дис­
где комплексная амплитуда
Г/2
Cfc=-f J x ( t ) e i M dt.
- Г /2
Непериодическая функция, задан­
ная на бесконечном интервале —оо<С
< / < оо, удовлетворяющая услови­
ям Дирихле и абсолютно интегриру­
емая ^ j | х (О IЛ < А/, где М — ко-
нечная величина), может быть пред­
ставлена в виде
c
)J eiMM+t)d(0==
X * (- -Ш
00
х (0 = ^ -
js (/< o )rto
1—00
через спектральную плотность функ­
ции
j
2 s in (oic ( ? + £ A / )
--s r
E
JC(“ ‘ A°
/+ Ш
&=—oo
Поскольку суммирование п р о и з г О Т — оо до ОО, то
ВОДИТСЯ
s in сое (/ — kAt)
—00
Если спектральная плотность
S ( j о) отлична от нуля в полосе ча­
стот от 0 до 0с= 2л:/с, то
сое (/ — Ш)
s in п ( 2 fet — k)
шс
•*(0 = - ^ - J 5 (/(»)
— со
с
Для этого случая в момент вре­
мени t = k M = k / 2 f c= kxl(y)c значение
функции x(t) равно:
<0
.V(kAt) = ~~2тГ J 5 (/«>) £ k / с^ш.
Спектральную плотность в свою
очередь можно представить рядом
Фурье
h(S=) - Ь J
с * '* " '- -
ft= — 00
с комплексной амплитудой
C l= J -(Ос
Сопоставляя значение Сл и
x ( k \ t ) , находим между ними соот­
ношение
Ск =
^ - х ( - Ш ) ,
учитывая которое, получаем:
ш
=^Г
f-f S
—соc
Xe
-S -* < -“ o x
/г= — oo
00
1
V rf(B= _ _ 2 j _ x
/feisco/ш
k — — oo
тем самым доказывается теорема
В. А. Котельникова [Л. 5-6, 5-7]:
непрерывная функция *(■/), удовлет­
воряющая условиям Дирихле, с ог­
раниченной верхней частотой /с мо­
жет быть представлена своими дис­
кретами, следующими через интер­
валы At — 1/2/с.
Часто этот ряд носит название*
ряда Котельникова, а функция
sinn{2fct—k)jn(2fct—k) — функции:
отсчетов.
На рис. 5-11 показаны произве­
дения
k \ s\nn(2fet — k)
n(2fct - k )
2 fc )
для моментов времени k—1, k , k + L .
Восстановление исходной непре­
рывной функции по дискретным от­
счетам x(k/2fc) в виде 6-импульсоВ’
через интервалы времени Д /= 1 /2 /с
может быть выполнено путем ис­
пользования идеального фильтра
нижних частот на бесконечно боль­
шом (от —о о до + о о ) интервале
времени. Но на практике мы имёем
дело с процессами, длящимися в те­
чение конечного времени. Следова­
тельно, математическая модель, ото­
бражаемая теорией отсчетов, лишь
приближенно отражает реальные
физические процессы. Нужно заме­
тить, что отклонение характеристик
фильтра от идеальных также вносит
погрешности. Ввиду сказанного при
использовании теоремы Котельнико­
ва на практике несколько увеличи6S
Использование среднеквадратич­
ного критерия погрешности восста­
новления возможно, если исходная
функция интегрируема в квадрате
[Л. 5-7] , т. е. если
ь
| х г (t) clt< оо (— оо < < < оо).
а
Среднеквадратичная
погреш­
ность в этом случае равна:
E = ] / j P № ( ° -? (9 Г Л
ИЛИ
Е* = ] / 2 р ( Ш * ( Ь ) - ? ( Ь ) ] яf
Рис. 5-11. Произведения ди­
скретных значений и функ­
ции отсчета.
вают значение расчетной верхней
граничной частоты /с.
Известна математическая ,мо
дель, в которой принимается, что
спектр сигнала отличен от нуля
в пределах от —оо до +оо, сигнал
имеет конечную длительность и из­
вестна
его
автокорреляционная
функция. Для этого случая доказы­
вается, что интервал квантования по
времени должен быть равен интер­
валу корреляции:
00
— СО
В [Л. 5-8] показано, что
1
т. е. отсчеты функции по теореме
Котельникова представляют собой
не что иное, как ближайшие некор­
релированные значения функции.
Более подробно оценка возмож­
ностей использования теоремы Ко­
тельникова в технике рассмотрена,
например, в [Л. 5-7].
t=l
В этих формулах P(t) — задан­
ная весовая функция, а ср(/) — при­
ближающая (аппроксимирующая)
функция
Возникает задача построения та­
ких функций ср(/), которые миними­
зируют Е. Наибольший интерес
в этом смысле представляют ортого­
нальные функции и многочлены.
Система функций cpi, ..., срп на­
зывается ортогональной на [0, ?],
если
т
§Vi(t)<?o(t)dt = 09
о
т
J V2i(t)dt = Xi'^> 0, i =/=]’,
о
г,де %i является нормой срг-; если =
= 1, то функция срг* называется нор­
мированной, а система ортогональ­
ных функций, элементы которой нор­
мированы, называется ортонормированной. Если ср(/) определена в ко­
нечном множестве точек
..., tn,
то ее можно рассматривать как век­
тор /г-мерного пространства с ком­
понентами <р(Ь):
Следовательно, система из п ор­
тогональных функций <Pj(f{) / = 1, ...
..., /г, может рассматриваться как
базис и любая cp(t) может быть
представлена в виде линейной ком­
бинации элементов этого базиса.
Тогда функцию x(t) можно пред­
ставить в виде ряда Фурье
x(t) « J j C m
i-\
Коэффициенты С; являются ко­
эффициентами Фурье.
Для ортонормированного бази­
са имеет место равенство Парсеваля
1
=IMI’= S с].
/= 1
Если ввести весовую функцию
P(t), то коэффициенты Фурье опре­
деляются по формуле
т
| Р ( * ) х (0
(0 dt
j р (О у• (0 dt
о
Ортогональные функции и мно­
гочлены широко используются в
технических приложениях. Основные
их достоинства связаны с тем, что
коэффициенты получаются относи­
тельно просто и_ разложения имеют
хорошую сходимость. Нужно под­
черкнуть, что среднеквадратичные
приближения с помощью систем
ортогональных многочленов обеспе­
чивают, в зависимости от весовой
функции P(t), равномерное прибли­
жение на интервале аппроксимации.
Приведем в сжатом виде основ­
ные данные некоторых ортогональ­
ных многочленов.
Многочлены Лежандра
(рис.
5-12)
Р ис. 5-12. М ногочлены Л е ж а н д р а .
ч
где прямые скобки у верхнего пре­
дела суммирования означают округ­
ление до ближайшего большего це­
лого числа.
Рекуррентная формула
( k + l ) L h+i(t)—2 ( k + l ) L k(t) +
-\-kLh—t (t) =0.
Приведем выражения для пер­
вых четырех многочленов Лежанд­
ра:
L0(0 = 1; U (0 = t; Ь г (0 = -±-(3'2~ 1&
L3(t) = J2-(5t3- 3 t ) ;
^ ( 0 = -J-(35^4- 3 0 / 2+ 3).
Остаточный член равен
1 ,5
2 П (л +
1)
м„
п+1
Многочлены Чебышева первого ро­
да (рис. 5-13): при весе P ( t) =
= 1/]/1 — Р на отрезке [— At/2,
At/2):
/=1
при весе P(t) = 1 на отрезке
[—Aif/2, At/2];
ini2]
М 0 = -5 г 5 ] ( - 1)ftX
k=0
\/
_(2/г )!
2k
^ k \ (n— k)\ (n — 2k)\
fn --k
Го( 0 = 1 ; г , ( 0 = 1;
т а (0 = At3 - 3 t\ Г4(0 = Ы*
Тп
(0 = cos (я arccos /) =
[л /2]
= V (_
1 )"—
4 1 п —k
n-h
1;
—скп-ъ-
k=0
Рекуррентная формула
Th+i(t)—2tTh(t) +Tk~i(i) = 0 .
Рис. 5-13. Многочлены Чебышева.
Общая формула для многочленов
'Чебышева второго рода при весе
Р (0 = У 1 — ts на отрезке [— At/2,
At/2]:
/ А __ sin \ ( п + 1) arccos/]
U
•
Un{t>
Рекуррентная формула
Uh+l(t)
—2tUk(0 +
•
t/o(0 = i; t /i ( 0 = 2
=8/3—
U 2( t ) = W — l;
Ui (t) = l6ti— l2V+l
Остаточный член
Чебышева равен:
многочленов
Vj T +Т(
2"(«+1)!
\
'2
А
/\n+1
)
Многочлены Лагерра, вес P(t)==
—
часто Pl (t) = e~t, отрезок
ДО.
Ч+г (0 — С — ^ — 2/г — 1)
(о -н
+ /e(a + /e)L,t_,(/) = 0;
^ e)( 0 = l ;
=
/=i
(при единичной весовой функции)
Система функций Уолша образу­
ется из функций Радемахера (рис.
5-14). Функция Радемахера т-го
порядка определяется при целых
положительных пг следующим обра­
зом:
R m (t )= s\ gnsi n (2m+%f),
ял и
Rm(t)=
21 +
+ 1, если ^ r < t <
(нечетные интервалы, начиная
с 0);
- 1, если
L[')1;
4 ()аt) = r - - 4 t + 2; L f \ t ) =
= Р+ 9
* f o ) * * 2 CiWift).
i=1 .
Коэффициенты Фурье—Уолша
N
Uk-i (t) = 0, '
-.причем
Мп+х
таблицы коэффициентов многочле­
нов (например, [Л. 5-13]).
Весьма удобно для практическо­
го использования при аппроксима­
ции непрерывных функций и в ряде
других приложений (на которых об­
ращается внимание в соответствую­
щих местах книги) разложение
функций в ряд Фурье с коэффици­
ентами Фурье — Уолша [Л. 5-14—•
5-20, 5-40]. В рассмотренных ранее
ортогональных многочленах опреде­
ленную трудность
представляет
формирование функций ерп(/) (в ви­
де синусов, косинусов, степенных
выражений и т. п.).
Разложение
интегрируемой
в квадрате на интервале [0, Т]
функции x(t) в ряд Фурье с исполь­
зованием функции Уолша Wi(t) вы­
полняется по формуле
t - - 18*+ 6;
— 16f* + 72/*— 96/ + 24.
Нужно заметить, что имеются
2/ + 2
2т
(четные интервалы /);
Ro(t) = 1.
Здесь i = 0, 1, ...,
—1—
порядковый помер интервала зада­
ния функции Rm(t).
Чтобы из функций Радемахера,
являющихся нечетными, получить
полную ортогональную систему,
нужно образовать произведения ви­
да (см. рис. 5-14)
W.т,>
=
X /U 0 Для построения функций Уолша
может быть использовано следую
щее соображение. Функции Радемахера соответствуют делению от­
резка [О, Т] на 2. Следовательно,
Wu
W/t1 Wg ... равны соответст­
венно Ri(t), Rz(t), Rs(t), Rb(t) ...
Формирование
промежуточных
(между двоичными) значений
осуществляется в соответствии с
формированием чисел в двоичном
коде. Например, W3(t) = R i (t)R2(t) ;
W7( t) = R 3(t)R2(t)Ri(t).
В некоторых случаях удобно ис­
пользовать обозначения \VSi и W‘cu
введенные [Л. 5-17] по аналогии
с тригонометрическими функциями.
Процесс получения коэффициен­
тов Фурье — Уолша соответствует
умножению .матрицы Уолша Wn
(строки этой матрицы равны значе­
ниям функций Уолша в двоично-ра­
циональных точках отрезка [О, Г])
на вектор-столбец исходных данных:
X (t0)
Wq-Rq
i r
*Г*,
Ч ш*2
rVJ Я7^2
W=R7Rj
WfR2n3
Wp-RjftzRj
C* = W nX
Х(*п)
.Д ля определения 2П коэффици­
ентов необходимо выполнить 2П
сложений и 22п~~1 вычитаний; умно­
жения при этом отсутствуют.
Имеется возможность использо­
вать так называемый ашгоритм бы­
строго преобразования Фурье —
Уолша, применив преобразование
Адамара для каждой пары последо­
вательных дискрет x(ti) [Л. 5-20]:
Ь* =
ХН,
Рис. 5-14. Функции Радемахера R и.
Уолша \V
раз последовательно применить это
преобразование, и, следовательно,
общее количество операций сложе­
ния и вычитания будет равно п2п.
Ряд Фурье с функциями Уолша
для всякой функции x(t), интегри­
руемой на отрезке [—At/ 2 ^ 4 ^
^Д //2], сходится к ней в среднем,
Остаточный член для ряда равен,
[Л. 5-14]:
М п+1
где
(
&t \ " + 1
2"(л + 1)! ^ 2 )
— матрица Адамара.
Для вычисления 2П коэффициен­
тов Фурье — Уолша необходимо п
Отсюда может быть определен*
интервал квантования по времен»,,
необходимей для восстановления
исходной функции с заданной по­
грешностью.
Имеется обобщение теоремы от­
счетов (теоремы Котельникова) на
ряд Фурье — Уолша [Л. 5-18], со­
гласно которому каждая временная
функция x(t) полностью характе­
ризуется дискретной последователь­
ностью значений отсчетов х(тД /),
взятых через A t = l / 2 f c=T/2n+K При
этом действительно соотношение
со
-ДО =
2
х (m\t
m=z— оо
где
[О — везде.
Между наивысшей частотой про­
цесса и п имеется очевидная связь:
/С= 2 П/Г,
где Т — продолжительность выбор­
ки непрерывной величины.
Обратим внимание читателей на
полиномы Хаара [Л. 5-21], которые
могут быть в' ряде случаев исполь­
зованы при аппроксимации непре­
рывных функций.
Если непрерывная случайная
функция X (t) стационарна, продол­
жительность ее реализации значи­
тельно больше интервала квантова­
ния по времени, заданы среднеквад­
ратичная погрешность приближения
и автокорреляционная
функция
R*x{ т), то имеется возможность
определения интервала квантования
по времени.
В случае, когда для восстановле
иия исходной функции используется
степенной полином нулевой степени,
проходящий через узлы интерполя­
ции, интервал квантования может
быть определен из выражения
з* = М* [х — Хг]2= м * [х2 —
-
2хХг+ Л-;] =
2R*X
(0)
где под М* и R*x (т) понимаются
оценки математического ожидания и
автокорреляционной функции (см
гл. 15).
Когда автокорреляционная функ
ция R*x {т) неизвестна, но имеется
исходная функция, то значение At
может быть. определено путем по­
следовательного приближения к до­
пустимому значению среднеквадра
тичного отклонения [Л. 5-10].
Для
линейной
интерполяции
(степенной полином первой степе­
ни) в соответствии с рис. 5-15
зх = М* | X
[х , -ф* (Хг'+1
Xi) X
Х т т ^А :})= м ^ х - ^ +
+
(X i+1 -
X i) Щ } * = М * [X -
Х г- X
X (1 — U)
Xi+iU]
Положим, погрешность аппро­
ксимации максимальна при {/=0,5
Тогда
о2 =
М*[X — 0,5хг-— 0,5хг-+1]2.
Если учесть, что М* [х~\ =
= М* [х2]==М*[Х+,] = /?**(0);
М*[xxt]= М*
[xxi+i]=
а М* [XiXi+1] = R'*x (АО.
то
о2 = 1,5R * x (0) - 2
(-у -) +
+ 0,5/?*ДАО-
Рис. 5-15. Линейная аппро­
ксимация.
Нахождение значения At цри
численном или графическом зада­
нии У?*а:(т) особых затруднений не
вызывает.
5-4. О ПРИНЦИПАХ' ПОСТРОЕНИЯ
АППРОКСИМИРУЮЩИХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
В предыдущем параграфе аппа­
рат теории аппроксимации исполь­
зовался для определения интерва­
лов квантования по времени или
пространству непрерывных измеряе
мых величин. Затем подразумева­
лось, что выделенные через эти ин­
тервалы квантования дискреты мо­
гут измеряться и (или) регистриро­
ваться
В
этом
случае
для
количественного описания непре­
рывной измеряемой величины, явля­
ющейся функцией времени или
пространства, необходимо знание
дискрет измеряемой величины, их
координат и вида аппроксимирую
щих многочленов. При этом обычно
применяются многочлены невысоко­
го порядка, приближающие изме­
ряемую величину внутри интервалов
квантования
Имеется иной метод количествен­
ного описания непрерывных функ­
ций, связанный с измерением коэф­
фициентов многочлена, приближа­
ющего функцию на интервале ее
существования или на достаточно
крупном отрезке этого интервала.
При использовании этого метода не­
прерывная измеряемая величина,
являющаяся функцией времени или
пространства, определяется с задан­
ной погрешностью коэффициентами
приближающего многочлена.
Нужно отметить, что при соот­
ветствующем выборе типа прибли­
жающего многочлена имеется воз­
можность не только количественно­
го описания измеряемой величины
на отрезке наблюдения, но и полу­
чения информации о ее свойствах.
В частности, при использовании
ряда Фурье знание коэффициентов
ряда позволяет судить о частотном
спектре измеряемой величины, а при
некоторой дополнительной обработ­
ке могут быть получены коэффици­
енты многочлена, приближающего
корреляционную функцию измеряе­
мой величины и т. п. (см. гл. 15).
Назовем измерительные устрой­
ства, позволяющие получдть коэф­
фициенты приближающего- много­
члена, аппроксимирующими (АИУ)
[Л. 5-41]. Поскольку результаты ис­
следования в области создания АИУ
не получили еще должного заверше­
ния и приложения, ограничимся
здесь лишь кратким изложением
особенностей построения АИУ с це­
лью привлечения внимания специа­
листов в области ИИТ к этой перс­
пективной разновидности измери­
тельных систем.
Коэффициенты аппроксимирую­
щего многочлена зависят от значе­
ний измеряемой величины x(ty I) и
выбранной системы приближающих
функций <р(£, I) :
Ci = Fi[x(ty /), ф г ( / , /■) ] i = l , 2 , .... тп*
Аппроксимирующее измеритель­
ное устройство АИУ, предназначен­
ное для получения коэффициентов
приближающего многочлена, назо­
вем аппроксимирующей сетью (АС).
Для восстановления измеряемой
непрерывной величины нужно вы­
полнить преобразование 4
X*(t,
1) = F 2[C u iФ
(t, /)]•
Аппроксимирующее измеритель­
ное устройство, предназначенное
“для восстановления измеряемой ве­
личины по известным коэффициен­
там приближающего многочлена,
назовем восстанавливающим устрой­
ством.
Классификация АИУ может быть
выполнена на основе материалов,
изложенных в гл. 1. Выделим наи­
более важные классификационные
признаки АИУ: последовательность
выполнения операций получения ин­
формации (последовательную, па­
раллельную и смешанную^), наличие
контуров информационной обратной
связи (разомкнутые и замкнутые
системы), вид используемых в АИУ
сигналов (непрерывный и кодоим­
пульсный) .
Отметим, что в настоящее время
в разрабатываемых АИУ [Л. 5-41]
75
используются последовательное и
параллельное получение коэффици­
ентов приближающего многочлена,
разомкнутый принцип работы (без
информационной обратной связи),
.аналоговые сигналы внутри АИУ и
.выдача коэффициентов в цифровом
:виде/
При создании АИУ нужно ре­
шать ряд специфических задач.
-К таким задачам относятся:
выбор типа приближающего мно­
гочлена;
определение порядка приближа­
ющего многочлена, исходя из задан­
ной погрешности аппроксимации;
выбор структуры АИУ и элемент­
ной базы.
Решение этих задач •зависит. от
'вида измеряемой величины и зара­
нее известной информации о ней, от
щели измерения, метрологических
требований к измерениям и многих
иных факторов.
Для иллюстрации остановимся
на использовании при измерении
распределенной в пространстве не­
прерывной величины х(1) разложе­
ния в ряд Фурье — Уолша. В этом
важном для практики случае изме
ряемая величина в каждый момент
времени присутствует во всех точ­
ках исследуемого интервала, а вы­
борка дискретных значений x(lj)
производится с помощью датчиков,
•жестко закрепленных в узлах ап
проксимации. Для первоначального
изложения примем, что в процессе
измерения исследуемая величина не
изменяется, координаты узлов ап­
проксимации (места расположения
датчиков) известны с заданной точ­
ностью, а датчики воспринимают
значения
измеряемой
величины
в дискретных точках. Конечно, от­
ступления от этих ограничений ока­
жут влияние на погрешность резуль­
татов измерения, но это влияние
должно быть оценено особо.
Размещение датчиков должно
производиться таким образом, что
бы можно было восстановить изме
ряемую величину с заданной по­
грешностью по полученным дискре
там. Интервал квантования для рас
сматриваемого случая может быть
выбран из соображений, приведен­
ных в предыдущем параграфе. По
ложим, на интервале наблюдения
расположено N = 2 n датчиков. Тог
да имеется возможность реали
зовать алгоритмы получения коэф
фициентов
Фурье — УоЛша
по
формуле
N
c i = 4 r Y i x{li)W i{ lj) ’
Рис. 5-1G. Аппроксимирующая сеть для по­
линомов Уолша третьего порядка.
т
где Wi(lj) — функция Уолша.
Аппроксимирующее измеритель
ное устройство разомкнутого типа,
параллельного действия при исполь­
зовании функций Уолша может реа­
лизоваться относительно просто. На
рис. 5-16 показана структурная схе­
ма АИУ предназначенная для од­
новременного получения четырех
коэффициентов ряда Фурье.— Уол-
ша. Поскольку функции Уолша при­
нимают значения +1 и —1, то со­
противления R u . . Rt6 равны меж­
ду собой. Операционные усилители
суммируют дискретные значения ис­
следуемой величины с соответствую­
щими знаками.
На выходах сети размещены
устройства сравнения значений ко­
эффициентов
с установленными
значениями е о ,. ез, ниже которых
данные коэффициенты могут не
учитываться.
Помимо рассмотренной имеется
возможность отбора коэффициентов,
имеющих существенное значение,
путем организации адаптивной ра­
боты АИУ по повторяющемуся алго­
ритму: получение значения коэффи
циента С{— ^восстановление непре­
рывной
величины
с помощью
специального устройства— ^оценка
погрешности восстановления и реше­
ние о значимости данного коэффи­
циента. .
В этом случае восстанавливаю­
щее устройство должно содержать
генератор функции Уолша, а также
обеспечивать получение произведе­
ний C{Wi и их суммирование
[Л. 5-16]. Так как функции Уолша
принймают значения +1 или —1, то
операции умножения фактически
упраздняются. По существу, если
АИУ выполняет прямое преобразо­
вание Фурье — Уолша C = xW, то
восстанавливающее
устройство —
обратное x=C W , где С — вектор
коэффициентов Фурье — Уолша; х —
вектор дискретных значений из­
меряемой величины; W — матрица
Уолша.
Если непрерывная измеряемая
величина описывается многочленом
высокого порядка, то имеется воз­
можность многократного использо­
вания АИУ на отдельных участках
и «сшивания» кусочного описания
непрерывной величины в единое вы­
ражение. Возможность перехода
к единому выражению соседних
«кусков» непрерывной величины
определяется тем, что функции Уол­
ша для удвоенного интервала уве­
личивают порядковый номер, а ко­
эффициенты Фурье — Уолша могут
быть получены путем относительно
несложных преобразований:
0
С' + С"
^
С' — С"
С = — ^ ---- или С = ----- 2---- •
Проиллюстрируем это на про­
стом примере (рис. 5-14). Положим,
определены коэффициенты С'о—С \
и С"о—С" 1 для двух полуинтервалов
[О, 1/2) и (1/2, 1]. Тогда для интерва­
ла [0, 1] получим:
С0=
С'0 + С"о
с2= С ',+ С " ,
С', — С'
После выполнения таких опера­
ций имеется возможность вновь
оценить значимость и отфильтровать
несущественные коэффициенты.
5-5. АДАПТИВНОЕ КВАНТОВАНИЕ
ПО ВРЕМЕНИ (СЖАТИЕ
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ)
В промышленном производствен
при проведении экспериментальных
исследований увеличиваются пото­
ки измерительной информации, тре­
бующие документирования, срочной
обработки и визуального вывода.
В то же время в подавляющем
большинстве случаев информационная избыточность этих потоков велйкаТ'пбэтом’у имеется возможность
уменьшить их интенсивность, а значит, уменьшить емкость устройств
памяти, загрузку устройств обра­
ботки данных, обеспечить восприя­
тие оператором необходимой для
его работы информации.
Уменьшение потоков (сжатие’)
измерительной информации может
быть произведено^л^^такГчто по
сжатым данным может быть восстановлена исходная информация, либо
такое восстановление становится
невозможным, т. е. в последнем
случае в процессе сжатия могут
быть необратимо потеряны необхо-
димые для этого информационные
составляющие. Типичными примера­
ми «необратимого сжатия» являют­
ся процессы контроля, получения
статистических
закономерностей
случайных процессов и т. п., кото­
рым уделяется внимание в соответ­
ствующих местах книги.
Опера циям и-с-ж-ятия-щз мер ител ьной информации с сохранением воз
мож ности_ во сстаи облен ия исходи ых
данных являются_операции_адал
тивного квантования —непрерывных
измеряемых величин_по.времени и
их ^аппроксимации с помощью при­
ближающих функций минимальной
сложтюсти В дальнейшем изложе­
ний^ остановимся главным образом
на адаптивном квантовании непре­
рывных величин по времени, свя­
занном с минимизацией числа дис­
крет, не затрагивая вопросов опти­
мального квантования по уровню и
кодирования выбранных дискретных
значений.
В общем виде задача «квазиобратимого» сжатия измерительной
информации может быть сформули­
рована следующим образом. Исход
ная функция x(t) или х(1) 'на~отрезке [О, Г] или [О, L] представле­
на с за^данной погрешностью функ­
цией ф[^(/)7~агг:т:Га^] Величины
{аг}г=1, n могут быть, например,
равноотстоящими дискретами ис­
ходной функции! Предположим, что
восстановление исходной функции
с заданной погрешностью выпол­
няется с помощью другого набора
величин {6j}j=i....м. Если M < N , то
можно говорить о «сжатии измери­
тельной информации.
Основными
характеристиками
сжимателей, т. е. устройств, выпол­
няющих операции сжатия измери­
тельной информации, могут быть
[Л. 5-23] коэффициенты сжатия, по­
грешности восстановления и время,
необходимое для определения {6j}.
В качестве N при вычислении коэф­
фициента сжатия может быть при­
нято количество равноотстоящих
дискрет, обусловленное, например,
теоремой Котельникова.
Тогда коэффициент сжатия мо­
жет быть определен как
IУ
N
Ki = ~M
гг (1)
|
ти
М
N
к— 1 -------
В случае адаптивного квантова­
ния по времени для восстановления
исходной функции необходимо из­
мерять также координаты реализо­
ванных дискрет во времени или
в пространстве. Эта операция иног­
да носит название датирования от­
счетов. Тогда коэффициент сжатия
уменьшится и будет равен:
. __
N
М+М0
или к 2{1) = 1
N *
2— М + М 0
Естественно, что характеристики
сжимателей существенно зависятот
принятого метода (алгоритма) сжа­
тия.
Можно различать однопарамет­
рическую двухпараметрическую и
многопараметрическую адаптацию
[Л. 5-22]. При однопараметриче­
ской адаптации (при заданной дли­
тельности реализации исходной ве­
личины) в соответствии с ее видом
может изменяться число дискрет
(узлов аппроксимации) либо при
'фиксированном числе узлов может
изменяться длительность реализа­
ции исходной величины. В случае
двухпараметрической адаптации из­
меняется как число дискрет, так и
длительность реализации. Многопа­
раметрическая адаптация связана
не только с адаптивным квантовани
ем по времени, но и с оптимальным
квантованием по уровню дискрет.
Остановимся на случае однопа­
раметрической адаптации исходной
непрерывной величины конечной и
заданной длительности. В этом слу­
чае вид приближающей функции и
оценки погрешностей выбираются
заранее, а интервалы квантования
по времени определяются в зависи­
мости от текущего поведения непре­
рывной величины.
Частным, промежуточным между
равномерным и адаптивным кван­
тованием является кусочно-равно­
мерное программное квантование
Рис. 5-17 Кусочно-равномерное про­
граммно®. квантование по времени.
(рис 5-17). Такую разновидность
квантования по времени можно реа­
лизовать, ели известен характер
изменения x(t) и можно выделить
отдельные участки, на каждом из
которых устанавливаются свои рав­
номерные интервалы квантования
Выделение участков x(t) может
быть произведено по интервалам
времени 7\- или по достижении x(t)
заранее установленных значений.
Примеры x(t), для которых возмож­
но применение кусочно-равномерно­
го квантования, могут быть* найде­
ны при исследовании процессов,
имеющих участки переходных и
установившихся значений (напри­
мер, взлет, горизонтальный полет и
посадка самолета; включение, уста­
новившаяся работа и выключение
радиоэлектронной аппаратуры). Ис­
пользование кусочно-равномерного
квантования по времени в ряде слу­
чаев может дать ощутимый эффект
сжатия при простом аппаратурном
оформлении. Так, например, если
(рис. 5-17) Д ^1 = Д^з, Д*2= Ю Д * 1, Тi =
== Г 3, Т2= 8 Т и то /С~3,6. Однако
при кусочно-равномерном квантова­
нии не учитываются особенности
поведения исходной величины внут­
ри участков, что часто не позволяет
добиться более полного сжатия ин­
формации.
Когда априорной информации об
исходной функции
недостаточно
для выполнения операций квантова­
ния по времени с заранее опреде­
ленным неравномерным интервалом
(а это типично для процесса изме­
рения), то применяется адаптивное
квантование по времени.
Суть адаптивного
по времени заключается в том,., .что
вьгборка"~дйскрет на 'каждом участ­
ие квантования производится таким
образом,..чтобы при заданной^тгогрешности. .а ппр оксима ции псГ~эт им
дискретам было воз можно—воссГа йовлеЖ^исхбдной фуш щ тт~~ппмбшью з ада иной arm роксим йрующей функции.
Для многоточечных систем целе­
сообразно использование сжимателей информации, производящих
равномерное квантование исходной
функции и последующую выборку
неизбыточных дискрет. В таких
сжимателях упрощается операция
датирования узлов аппроксимации,
так как каждая из дискрет отделена
от другой целым числом интервалов
квантования по времени. Функцио­
нальная схема таких сжимателей
(рис. 5-18) содержит равномерный
квантователь (1 и 2), устройство
памяти
3,
восстанавливающее
устройство 4, устройство 5, форми­
рующее зону заданной допустимой
погрешности, устройства сравнения
3, управления 7 и выдачи координа­
ты дискреты 8.
Восстанавливающее „ устройство
восстанавливает значение исходной
функции по выбранным дискретам
в соответствии с заданным алгорит­
мом, а устройство сравнения оцени­
вает соответствие текущего и вос­
становленного значений исходной
Рис. 5-18. Функциональная схема сжимателя.
функции с заданной погрешностью
восстановления Когда это соответ­
ствие нарушено, то устройство срав­
нения выдает сигнал на выделение
x(jAt) и времени jAt.
Возможен цифровой вариант
реализации сжимателя информации.
В этом случае после квантователя
должен быть расположен аналогоцифровой преобразователь, а ос
'тальные блоки должны работать
с кодоимпульсными
сигналами
В телеметрии [Л. 5-22, 5-24] для
восстановления исходной функции
наиболее часто используются поли­
номы Лагранжа нулевой и первой
степени с. оценкой верности воспро­
изведения по наибольшему отклоне­
нию. Остановимся на особенностях
адаптивного квантования при этих
условиях.
Если степень аппроксимирующе­
го полинома п = 0, то возможен сле­
дующий алгоритм работы сжимате­
ля [Л. 5-22, 5-27]. Он предусматри­
вает выполнение операторов:
А — выборка очередной дискре-‘
ты ху,
{
В — определение
разности
Ax[tj—1?j) —Xj Xj—ij
C — сравнение Ax(tj-^j) c e;
D — выделение дискреты, вышед­
шей из зоны Xj_i±e;
Е — датирование jAt\
F — стирание из памяти Xj-1 и
запись Xj;
G — повторение цикла.
Должно выполняться логическое
условие
_ ( 1 'при IAx(tj_lf j) I > е ;
^
\0 при | ДлД/ j . i , j) |< s .
Тогда первый алгоритм работы
сжимателя может быть представлен
в виде
1 j 2A B C /;|1D E F G |2.
Рисунок 5-19,а иллюстрирует
этот алгоритм работы: дискрета Xj
сравнивается cj предыдущей неизбы­
точной дискретой (выполняются
операторы А, В, С). В случаях, ког­
да разность между ними превысит
допустимую погрешность (р = 1),
выдается значение текущей дискре­
ты Xj (выполняются операторы D,
Е, F, G) и цикл повторяется. Если
р = 0, то выбирается следующая дис­
крета. Этот алгоритм в [Л. 5-22,
5-24] назван алгоритмом нулевого
приближения с фиксированной зо­
ной погрешности (апертурой, кори­
дором) .и неизбыточной выборкой.
Второй алгоритм отличается ог
первого тем, что при его использо­
вании устанавливается зона погреш­
ности относительно каждого, в том
числе и избыточного, значения из­
меряемой величины и в случае р = 1
выдается дискрета, предшествую­
щая текущей. Этот случай представ­
лен на рис. 5-19,6. На этом рисунке
за зону Xj+i± e вышла дискрета
Xj +2. Следовательно,
выделяется
узел аппроксимации Xj+ь tj+1.
Рис. 5-19. Аппроксимация многочленом нулевой степени при адаптивном квантовании но вре­
мени.
а — с фиксированной апертурой и неизбыточной выборкой; б — с плавающей апертурой; о — с плаваю­
щей апертурой и исправлением по предсказанному значению.
Третий алгоритм отличается от
второго тем, что в нем исправляет­
ся значение выдаваемой дискреты —
оно принимается равным предска­
занному значению предыдущей вы­
борки (рис. 5-19,в). Как и на пре­
дыдущем рисунке, за зону xj+l±&
вышла дискрета Xj+2, выделяется же
узел аппроксимации Xj, tj+l.
На рис. 5-19 пунктирными ли­
ниями показаны предсказанные зна­
чения величины в последующий ин­
тервал квантования, сплошными ли­
ниями — интерполирующая кривая,
знаком «*» отмечены выделяемые
дискреты.
Интерполирующая кривая прово­
дится через выделенные дискреты.
На рис. 5-19,6, з значение предыду­
щей выделенной дискреты соединя
ется прямой линией со значением
последующей выделенной дискреты
на интервале квантования, следую
щим за предыдущей выделенной
дискретой. Это позволяет уменьшить
погрешность приближения.
Аналогичные алгоритмы можно
получить для квантования по вре­
мени при применении полинома пер­
вого порядка. Для построения зоны
допустимых погрешностей в этом
случае необходимо запоминать зна­
чения двух дискрет и формировать
(предсказывать) зону допустимых
погрешностей для последующих ин­
тервалов квантования. Зона допу­
стимых погрешностей может быть
образована двумя линиями, прохо­
дящими через неизбыточные дискре­
ты Xj + e, xj+h + г и xj— е, xj+k— в,
/е= 1, 2,
Эта зона может быть перемен­
ной (веерной), устанавливаемой
при появлении каждой избыточ­
ной дискреты с помощью линий,
проходящих через предыдущую не­
избыточную дискрету и значение по­
следующей избыточной дискреты
± е (рис. 5-20). При выделении сле­
дующей неизбыточной дискреты по­
строение зон допустимых погрешно­
стей производится от нее. В качест­
ве неизбыточной выделяется дискре­
та, предшествующая дискрете, выfi—741
Рис. 5-20. Аппроксимация многочленом пер­
вой степени при адаптивном квантовании
по времени.
шедшей за зону допустимых погреш­
ностей.
В [Л. 5-24] приводится сравне­
ние перечисленных алгоритмов сжа­
тия. По повышенному быстродейст­
вию, небольшому количеству ячеек,
памяти и логических элементов бес­
спорное преимущество имеет алго­
ритм нулевого приближения с фик­
сированной зоной допустимых по­
грешностей и выборкой неизбытрчных дискрет. Он, однако, несколько
уступает по коэффициентам сжатия
алгоритмам с нулевым и первым
приближениями и переменной зоной
допустимых погрешностей.
До сих пор рассматривались так.
называемые прогнозирующие (экс­
траполирующие) алгоритмы. Для
сжатия информации могут быть ис­
пользованы и интерполирующие
алгоритмы. В них зоны допустимых
погрешностей устанавливаются по
значениям дискрет, удаленных на
два и более интервала квантования,
а выделение неизбыточных дискрет
производится внутри этого участка.
Погрешности аппроксимации мо­
гут определяться по среднеквадра­
тичному критерию, тогда в алгоритм
квантования должен входить опера­
тор вычисления текущей среднеква­
дратичной погрешности аппроксима­
ции.
Естественно, что при адаптивном
квантовании по времени в качестве
приближающих могут быть исполь­
зованы любые из известных много­
членов. Например, в [Л. 5-25] при­
водятся данные по адаптивному
квантованию по времени с приме­
нением ортогональных полиномов
Лежандра. Нужно отметить, что ме­
тоды аппроксимации ортогональны­
ми многочленами с коэффициентами
Фурье в определенном смысле обла­
дают повышенной помехоустойчиво­
стью, поскольку в них используется
интегрирование исходной функции.
Повышенным
коэффициентом
сжатия по сравнению с однопара­
метрической адаптацией обладает
двухпараметрическая
адаптация,
позволяющая в зависимости от по­
ведения измеряемой величины опре­
делять интервал аппроксимации и
степень аппроксимирующего поли­
нома.
В наиболее полной работе по
сжатию данных при телеметрии
[Л. 5-22] рассматриваются два ал­
горитма
двухпараметрического
адаптивного квантования. Первый
из них связан с выделением неиз­
быточных дискрет при постепенном
повышении степени приближающе­
го полинома. Второй алгоритм пре­
дусматривает пробную аппроксима­
цию полиномом
фиксированной
(обычно невысокой— 1-го—3-го по­
рядка) степени и выполнение по­
пытки экстраполировать результаты
аппроксимации на последующие ин­
тервалы Предусмотрена процедура
повышения степени полинома на
один-два порядка и выбора длины
интервала. Проведение этой проце­
дуры сопровождается оценкой по­
грешности аппроксимации.
Недостаток второго алгоритма
связан с задержкой в формирова­
нии координат на интервал аппро­
ксимации. В [Л. 5-22] приводятся
особенности применения интерполя­
ционной формулы Ньютона в. пер­
вом алгоритме и ортогональных по
линомов во втором. Для восстанов­
ления исходных функций там же ре­
комендуется использовать интерпо­
ляционную схему Эйткина ГЛ.
5-25].
Сжатие измерительной инфор­
мации может также производиться
путем устранения некоторых коэф­
фициентов аппроксимирующего мно
гочлена, полученных расчетным или
аппаратурным путем. Так, напри
мер, при разложении с помощью
функций Уолша измеряемой вели­
чины, близкой к синусоидальной,
при погрешности восстановления
порядка 4-10~3 в работе [Л. 5-16]
оказалось возможным вместо выда
чи 64 отсчетов дискретных значений
ограничиться получением 20 коэф­
фициентов Фурье — Уолша.
Работы по адаптивному кванто
ванию непрерывных величин весьма
интенсивно развиваются, и можно
ожидать, что в ближайшее время
многие быстродействующие измери­
тельные устройства, предназначен­
ные для получения большого коли
чества результатов измерений, бу­
дут комплексироваться с устройст­
вами для сжатия информации или
адаптивно выполнять операции из
мерения.
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ВИДЫ МОДУЛЯЦИИ
6-1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Исследуемые величины в ИИС
преобразую тся в сигналы, эквива­
лентные в информационном смысле
исследуемым величинам, но обычно
отличающиеся от них по физической
82
природе. Затем в процессе получе­
ния количественной информации
в ИИС сигналы неоднократно пре­
образуются
Это преобразование
вызывается тем обстоятельством,
что от вида сигналов существенно
зависит успех той или иной инфор­
мационной операции.
Процессы преобразования изме­
ряемых величин в сигналы, а так­
же некоторые преобразования сиг­
налов неразрывно связаны с моду­
ляцией (лат. modulatio — мерность,
размерность), а процесс восстанов­
ления исходного вида величины или
сигналов — с демодуляцией. Моду­
ляция заключается в изменении ка­
кого-либо параметра физического
явления (модулируемой величины)
в соответствии, в информационном
смысле, со значениями преобразуе­
мой (модулирующей) величины.
Положим, модулируемая величи­
на является функцией ряда пара
метров F(a, Ь, с, d, ..., t). Сущность
модуляции заключается в изменении
в зависимости от модулирующей
величины f(t) какого-либо парамет­
ра а, Ь, с, rf, . , t модулируемой
величины.
Число возможных видов модуля­
ции при использовании данной мо­
дулируемой величины равно числу
ее параметров, которое можно изме­
нять, модулировать. Наиболее ча­
сто в качестве модулируемой велилины в ИИС используются парамет­
ры периодических гармонических
электрических колебаний и перио­
дической последовательности элек­
трических импульсов. Но возможно
использование иных, довольно мно­
гочисленных разновидностей моду­
лируемых величин, а соответственно
и видов модуляции. В частности,
могут модулироваться не только
мгновенные (амплитуда, частота,
форма импульсов и др.), но и сред­
ние (в том числе вероятностные) па­
раметры сигнала, характеризующие
его мощность, частотный спектр
и т. д.
Принято считать, что формиро­
вание кодоимпульсных сигналов
также происходит посредством мо­
дуляции. Однако в отличие от
остальных видов модуляции, инфор­
мационные параметры кодоимпульс­
ного сигнала «переносят» лишь дис­
кретные значения (например, при
двоично кодированном сигнале —
значения, соответствующие 0 и 1).
По существу, для получения кодо­
импульсного сигнала необходимо
выполнить аналого-цифровое преоб­
разование.
На практике довольно часто ис­
пользуется процесс так называемой
двойной модуляции, при которой из
соображений лучшего выполнения
дальнейших преобразований или
передачи информации модулирован­
ный сигнал подвергается вторичной
модуляции. При этом параметры
вторично модулированного сигнала,
как правило, не несут информацион­
ной нагрузки. Типичным примером
сигнала с двойной модуляцией яв­
ляется амплитудно-модулированное
гармоническое колебание, наложен­
ное на гармоническое колебание
более высокой Частоты (часто назы­
ваемое несущей частотой).
Исследованию процессов модуля­
ции посвящена весьма обширная
литература [Л. 6-1—6-4]. Ограни­
чимся здесь изложением лишь
основных сведений из теории моду­
ляции, связанных с наиболее широ­
ко используемой в ИИС модуляци­
ей гармонических колебаний, а так­
же периодической последовательно­
сти импульсов и оценкой их помехо­
устойчивости. На особенностях ко­
доимпульсных сигналов остановим­
ся в гл. 7.
Под помехоустойчивостью пони­
мается способность системы нор­
мально функционировать при воз­
действии на нее помех. В качестве
основных критериев помехоустойчи­
вости ИИС в зависимости от кон­
кретной ситуации могут быть ис­
пользованы те или иные оценки по­
грешности (см. гл. 2). Специфиче­
ским критерием помехоустойчивости
измерительных
преобразователей
с амплитудной модуляцией при на­
личии помех типа белого шума и
статистической независимости сиг­
нала и помехи является отношение
средней мощности сигнала Рс
к средней мощности помехи Рп:
р = Р с/Рц-
В случае идеального преобразо­
вателя количество информации на
выходе и на входе одинаково (см.
§ 2-6), следовательно:
/вх log, (1 +
\
* п. пх J
=
= fBMxl0g,(ri + ^ = 5 - V .
\
*п. пыхJ
где /вх и /вых — частотные диапазо­
ны входного и выходного сигналов
соответственно.
Отсюда для случая P c> P n
Из этих выражений видно, что
помехоустойчивость преобразования
существенно зависит от частотных
диапазонов сигналов и уровня по­
мех. Нужно заметить, что в общем
случае увеличение входного частот­
ного диапазона преобразователя
приводит к увеличению результиру­
ющей мощности помех [Л. 6-1]. Для
оценки измерительных преобразова­
телей с амплитудной модуляцией
часто используется оценка влияния
помех в виде коэффициента шума:
6-2. МОДУЛЯЦИЯ ГАРМОНИЧЕСКОГО
КОЛЕБАНИЯ
Рассмотрим основные виды мо­
дуляции гармонического колебания
а (0 = Ат cos (соо^+ фо) и соответст­
вующие им спектры модулированно­
го колебания при модулирующей
функции f(t) произвольного вида
(табл. 6-1).
При амплитудной модуляции
(AM) мощность модулированного
сигнала в течение периода соо изме­
няется и ее максимальное значение
в 1 + т 2 раз превышает мощность немодулированных колебаний. Шири­
на частотного спектра амплитудномодулированного колебания равна
84
Амплитудно-модулированный сигнал (AM-сигнал) в общем
случае не является периодическим.
Только в случаях, когда из двух ве­
личин соо и £2— одна делится на
другую без остатка, этот сигнал бу­
дет периодической функцией вре­
мени.
Для частотно-модулированного
(ЧМ) колебания средняя мощность
сигнала примерно постоянна. При
вычислении амплитудных значений
спектральных составляющих исполь­
зуются функции Бесселя нулевого
/о(Р) и А-го / К(Р)- порядков. На­
помним, что
COS (2 sinO) = / 0(z) +
2 й Макс.
+ 2 2 Лк (2) COS 2/еО;
k=l
00
sin (2 sin 0) = 2 2 Л/г+1 (2) sin (2£ + 1) 0.
fe= 0
Ширина частотного спектра шри
|3>0 равна 2Дсо = 2|ЗП и зависит
только от амплитуды модулирующе­
го колебания. При (3=10 и й =
= 5 кГц 2|3Q= 100 кГц, и для при­
менения частотной модуляции необ
ходимо использовать довольно вы
сокую частоту модулируемого коле­
бания.
При фазовой модуляции (ФМ)
средняя мощность модулированного
колебания также примерно посто­
янна Ширина частотного спектра
равна 2AcpQ и зависит как от ампли
туды, так и от частоты модулирую­
щего колебания.
Анализ помехоустойчивости сиг
налов AM, ЧМ и ФМ произведен
в [Л. 6-1—6-4]. Мы здесь приведем
некоторые конечные результаты это
го анализа.
Для малой по сравнению с сиг­
налом случайной помехи флуктуационного типа
Следовательно, отношение мощ­
ности сигнала к мощности помехи
для ЧМ примерно в 3,3 |32 раза пре
вышает это отношение для AM
Угловая модуляция a (t) = Ат cos 0 (t),
t
Основные соотношения
мгновенное значение частоты ш — dftjdt, 0 = J <odt
Амплитудная модуляция;’(AM)
О
Фазовая модуляция (ФМ)
Частотная модуляция (ЧМ)
Вид модулированно­
го сигнала при произ­
вольной
модулиру­
ющей функции f(t)
a(t) = Am [\ + mf (01 cos Ы + ъ ) ,
где
т = ЬА/Ат — глубина модуляции,
АЛ—девиация
a (t) =
r t ( 0 = ^ m C O s | j [С00 + ЛСО/ (/)]
=
+ Vo| —
А , „cos < со,-Ь т J / (0 Л j + V o j ’
где (о = со0 + Лео/ (/), Асо— девиация;
т = Асо/со0 — глубина модуляции
Вид модулированно­
го сигнала при f (t) =
= cos[Q (0 + 1ГоГ
а(0 =
А cтos, (ш0/ + Vo) +
+ А тт cos (Q/ + Yo) cos (со„/ + <р0) =
= А т cos
(<a0t+ Vo) +
+ '^Y ^- cos[(co0 + Q) t + Vo + Yo] +
And>t_cos j(Шо—Q) v0—Yo]
co = co0 + Aco cos (Qt + Yo);
t
0 — co0/ + w0 -f- Aco J cos (Ql + Yo) dt — co0/ +
и
Aco
Aco
+ ¥0 + ~Q sin (Qt + Yo) . ? = “§■ — индекс моco0
дуляцин, ^ = Q-, P=/njj.,
+ Vo +
00
сл
P s>n
(/)= ^ mcos [w0f +
+
Y o)]
Ac
os {co0<+
+ V.[l+/nf (/)]};
¥ = ¥o +
dff(0. “ (0 =
.
- “»+
dt
’
где m = A<f>/<p0— глубина мо­
дуляции,
Ay — девиация
0 = (O0t + Vo+ ^V cos
+ Yo);
a (0 = Am cos
[w0+ Vo+
X cos (Qt+ Yo)]; мгновенноезначение со = co0 — Ay2 X
X sin (Qt + Yo);
Aco = Ay2 — девиация частоты;
индекс модул.яции |3 А?
У глооая м о ду л я ц и я a ( t ) = Л
Основные соотношения
cos 0 (t ),
мгновенное значение частоты о = dOfdt, 0 =
А мплитудная м одуляция (A M )
Ф азовая м одуля ция (ФМ)
Частотная м одуля ци я (Ч М )
Амплитудно-частот­
ный спектр модулиро­
ванного сигнала при
/ ( 0 = cos(Q/ + Yo)
При р-» О
lA
А„т
2
]
}
а(
/) = А т cos (оу + у0) —
cos [ К - Q ) f + ?. + *.] +
2л
29
1"_____ —
OJf®
j* сodt
0
1Х
+
cos К05» + 2 ) + ¥о + То]
А
Ат р
Ш0
Ат
/1т р
2
\
I
со0~9 со0
1
1
2kQ^ 2A^Q
а>0+9'
При р > 0 , ?0 = 0, Yo = 0 a( t ) =
оо
= Ат J ( Р ) cos со 0/ +
.
h (Р ) cos ( « о +
^
k=i
П
2
+Щ1 +
(is[ft=l
(Р)cos к - AS)
AmJ0(p) _
■
При jS » 7 ,k^J3
Спектр аналогичен ЧМ, ши­
рина спектра
Л < i i f f , . «;
2 k 9 ~2/39=2Ji
Естественно, что этот выигрыш воз­
можен за счет расширения спектра
модулированного сигнала.
Помехоустойчивость
системы,
в которой используется тот или
иной вид модуляции сигналов, зави­
сит не только от вида модуляции
сигналов, но и от используемых в
системе способов защиты от помех.
Так, например при использовании
AM-сигналов с целью повышения
помехоустойчивости широко приме­
няется метод накопления. Суть это­
го метода заключается в следую­
щем Положим, имеется непрерыв­
ная функция а + £(£),. где а — неиз­
менная в течение времени накопле­
ния измеряемая величина; l(t) —
случайная флуктуационная помеха.
Производится интегрирование этой
функции в течение интервала вре­
мени Т\
т
J [a + 6(0 ]dt = cfT +
О
О
Дисперсия
О —00
Интервал корреляции помехи
для монотонной
корреляционной
функции
00
— 00
Следовательно,
D h] = ^ ( 0 К Г .
Отношение сигнала к помехе на
выходе накопителя
а2Тг
Р _ Dh] —
_
_
*5 (0)V
Та 2
_
*0
Я* (0 )
венное влияние на характеристики
устройств и системы в целом,
а иногда и на состав функциональ­
ных блоков системы.
Спецификой ИИС (по сравне­
нию, скажем, с системами связи)
является то, что операции измере­
ния и контроля могут быть выпол­
нены с сигналами, модулированны­
ми различным способом, поэтому
нет необходимости в восстановле­
нии (демодуляции) исходного сиг­
нала с присущим ему видом моду­
ляции. Так, например, если произ
водило сь из мер ен ие мгн овен иых
значений AM-напряжения а затем
была выполнена частотная модуля­
ция сигнала, то результат измере­
ния может быть получен и при
использовании ЧМ-сигнала. В то же
время нужно отметить, что для
отображения измерительной
или
контрольной информации, связан­
ного с представлением исследуемых
величин оператору, преимуществен
но используются амплитудно-модулированные сигналы.
AM, ЧМ и ФМ-сигналы в ПИС
используются, как правило, при не­
прерывном измерении или контроле
значений одной физической величи
ны и находят преимущественное
применение в ИИС параллельного
действия и в отдельных одноканаль­
ных приборах (хотя в них могут
быть использованы и импульсные
виды модуляции).
В ИИС последовательного или
параллельно
последовательного
действия
используется
главным
образом модуляция периодических
последовательностей
импульсов.
К краткому рассмотрению этого
вида модуляции мы и перейдем.
Х0 Р°-
Пример использования метода
накопления для измерения малых
напряжений приведен в [Л. 6-6].
Выбор вида модуляции сигнала
в ИИС оказывает весьма сущест­
6-3. МОДУЛЯЦИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ
ИМПУЛЬСОВ
Модуляция периодической после­
довательности импульсов связана
с представлением непрерывных ис­
следуемых величин дискретными их
значениями (дискретами), взятыми
г0
'~0
t R0
*0
t
т0
Рис. 6-1. Периодическая последовательность
импульсов.
через определенные интервалы вре­
мени или пространства. Периодичес­
кая последовательность импульсов
(модулируемый
сигнал)
может
быть выражена в виде (рис. 6-1)
k=l
?(t -
th0)=
( А ' Л о о+ v
10, 4o “b ^0 <C t <C hot
где t — текущее время; tko— фикси­
рованные моменты начала импуль­
сов, k = l , 2, ..., оо; Ао — амплитуда
импульсов;
to — длительность
импульсов.
Периодическую последователь­
ность импульсов можно представить
рядом Фурье:
00
5 ] ?(*—*».)=
k=\
00
+ VCftCosAu)^ ,
k=\
kcoQz0
sin •
где
Ck2- k(d0Z0
)= 2z/T0] Г0-
период следования импульсов.
В табл. 6-2 представлен вид мо­
дулированных импульсных сигналов
и амплитудно-частотные спектры.
В таблице показаны модулируемые
параметры:
для
амплитудноимпульсной модуляции (АИМ) —
А0] для односторонней ШИМ — то;
для время-импульсной (ВИМ) —
Т0 л tkо. Следует подчеркнуть, что
при ВИМ неизбежно происходит
одновременная модуляция двух свя88
занных параметров Т0 и tko, поэтому
частотно-импульсная
и
фазоимпульсная модуляция как отдель­
ные виды н е. существуют. Здесь не
рассматриваются разновидности мо­
дуляции, связанные с изменением
модулирующей величины за время
модуляции [Л. 6-2, 6-7]. В табл. 6-2
приведены
соотношения
для
импульсно-модулированных сигна­
лов, при которых АИМ-сигналы по­
вторяют изменение амплитуды мо­
дулирующей
величины,
а для
ОШИМ и время-импульсных (ВИМ)
сигналов — длительность и частота
импульсов пропорциональны значе­
нию модулирующей величины в мо­
мент начала импульса [Л. 6-3].
Особенностью модулированных
периодических импульсных сигна­
лов (при гармоническом модули­
рующем сигнале) является наличие
в спектре составляющей, соответст­
вующей частоте Q модулирующего
сигнала. Наличие такой составляю­
щей
позволяет
непосредственно
использовать при демодуляции низ­
кочастотные фильтры. Однако для
уменьшения влияния высокочастот­
ных составляющих при АИМ необ­
ходимо выполнение условия co0> 2Q r
а при ВИМ и ОШИМ соотношение
^ = co0/Q следует выбирать из усло­
вия
где Si — амплитуда сигнальной со­
ставляющей на выходе демодулято­
ра, а # Шо+/г2 — амплитуда комби­
национных составляющих, которые
при п < 0 попадают в полосу пропу­
скания низкочастотного фильтра.
В [Л. 6-3] показано, что для ВИМ
62^ 1 % при 4'<-|х<7 и 0,2< /? 2< (
^ 0 ,4 , а для ОШИМ 62^ 1 % при
5 < |i < 7 и 0 ,4 < т < 0 ,8 ; при увели­
чении m и уменьшении р погреш­
ность 62 резко возрастает.
В отношении помехоустойчивос­
ти импульсно-модулированных сиг­
налов кратко можно сказать сле­
дующее. В [Л. 6-1] приведены от­
ношения сигнала к помехе в случае
В ид сигнала н спектра
Амплитудно-импульсная м одуляция
А0 = va r, т0, Т0, t hQ = c o n s t
Односторонняя широтно-импульсная м одуля ция
т0 = v a r , t hQ, /10, Г0 = c o n s t
ОО
Вид модулирова нно го
сигнала
Вид модулированного
сигнала при
Время -и мп у л ьсная м оду л яция
Т0, t hQ = v a r , А0, т0 = co n st
T0 [ l +mf ( t ) ]
2 [1 +«/(*)] ?(*-*!..)
к—\
а (t ) — А 0
+ m sin 2/ +
a (t) =
А0
-\- Ло
х0 +
(0 2—
sin j 2 sin
f+
f(t) = s\nQt
о
+
Ск cos W
ft=l
+ ^ Цг C hx
ft=l
+ J]
^ -/„ (^ )s in (to 0+
Д т /(/) =
+
-A0
y-
70
j40 yt sin 2
■*0
S S Йг 7«(/г
sin(^“o+
/г=1 /2= —oo
oo
X sin C f a » .- e ) t +
x Sin (Ato, + 2) t
/« f(0 1
CO
k = \ II ——CO
k=\
т 0 [1 +
+ /22) rf sin (/vco0 + /22) t
+ w2)/ ~
БГ s,n
Вид амплитудно-часто­
тного спектра
2и>0~п&
co0—Q> 2 , co0> 2Q
- - k / Sn<0
ОО
CD
£ (a>0+^S?) ’
o2 <; l % при 4 <: fx <; 7
и 0,2 <: m
0, 4
2
—
^
ij/
sл<0 Dд2((00+-Л2);
&2 < 1 % при 5 < |x < 7
и 0 ,4 < : tn < 0 , 8
Рис. 6-2. Параметры тра­
пециевидного импульса.
периодической последовательности
трапецеидальных импульсов (рис.
6-2) со скважностью у0=7Уто при
а0= т0/ / > 1
Ра и м • Рвим ■Ршим=
1:1,8 3 Yо ао:3,76а0.
Отсюда в [Л. 6-1] делается вы­
вод о значительном в смысле поме­
хоустойчивости преимуществе ВИМ.
Увеличение ао приводит к увеличе­
нию полосы пропускания ВИМ и
ШИМ-сигналов. Там же указыва­
ются интересные возможности повы­
шения помехоустойчивости путщм
одновременного выполнения
не­
скольких видов импульсной модуля­
ции и использования метода ком­
пенсации (при коррелированной па­
разитной модуляции) или накопле­
ния (при слабо коррелированной
паразитной модуляции).
В информационно-измерительной
технике используются последова­
тельности импульсов, весьма значи­
тельно различающиеся по соо и
скважности Выбор этих значений
определяется, с одной
стороны,
свойствами исследуемых величин
(в первую очередь их динамически­
ми свойствами), а с другой сторо­
ны аппаратурными возможностя­
ми получения количественной оцен­
ки исследуемых величин с заданны­
ми метрологическими характеристи­
ками.
Наибольшее распространение в
настоящее время в ИИС имеет
АИМ. Видимо это объясняется, вопервых, простотой
модуляторов
АИМ-сигналов,
во-вторых,
лег­
костью восприятия АИМ-сигналов
оператором, в-третьих, относительно
90
высокими (особенно по быстродей­
ствию) характеристиками аппарату­
ры для АИМ-сигналов.
Остановимся несколько подроб­
нее на ныне достигнутых характе­
ристиках измерительной аппарату­
ры для импульсных сигналов при
временном их разделении. Такая
аппаратура в большинстве случаев
содержит коммутатор и аналогоцифровой преобразователь.
Сравним возможности измере­
ния сигналов с различными видами
модуляции
по
быстродействию.
Большим быстродействием (поряд­
ка 104—105 переключений в секун­
ду) обладают коммутаторы на инте
тральных прерывателях, полевых
транзисторах и интегральных схе­
мах с МОП-структурой. Однако
относительно высокие по сравнению
с контактными коммутаторами оста­
точные напряжения и внутреннее со­
противление открытого ключа за­
трудняют получение малой погреш­
ности в передаче АИМ-сигналов
(погрешность, вносимая коммутато­
рами, составляет примерно 0,2—
0,5% и зависит от уровня сигнала)
[Л 6-11]. Значительно большее бы­
стродействие (время переключения
20—100 нс) имеют коммутаторы
с предварительным преобразовани­
ем напряжения в ток и последую­
щей коммутацией на диодных пере­
ключателях тока при погрешности
порядка 5—10 мкА. Таким образом,
современные
быстродействующие
измерительные коммутаторы (см.
гл. 12) позволяют коммутировать
AM, ЧМ и ФМ-сигналы, осущест­
вляя при этом импульсную ампли­
тудную модуляцию, либо ЧИМ и
ШИМ-сигналы со скоростью до 106
переключений в секунду. Однако
в последнем случае должна быть со­
гласована работа модуляторов и
коммутатора.
Среди АЦП наибольшим быст­
родействием (до 106 измерений
в секунду) обладают преобразова­
тели мгновенных значений постоян­
ного напряжения. Погрешность из­
мерения в этом случае обычно рав-
на 0,5% и сравнима с погрешностью
коммутатора.
При использовании других ви­
дов
модуляции
быстродействие
в цепи коммутатор — АЦП будет
определяться АЦП/ При ВИМ и
ШИМ быстродействие АЦП при по­
грешности порядка 0,1% и достиг­
нутом быстродействии элементов
пересчетных схем (107 переключе­
ний в секунду), не будет превышать
Ю3—104 преобразований в секунду
[Л. 6-8—6-11].
Таким
образом,
АИМ-сигналы позволяют обеспе­
чить в цепи коммутатор — АЦП
наибольшее быстродействие.
Использование ВИМ и ШИМсигналов, а также коммутации ЧМ
и ФМ-сигналов позволяет сущест­
венно уменьшить влияние коммута­
торов на погрешность измерения,
получить повышенную помехоустой­
чивость системы, применить высо­
коточные АЦП. Но все эти положи­
тельные свойства могут проявиться
при относительно невысоком быст­
родействии и хороших метрологи­
ческих качествах модуляторов.
Дальнейшее развитие ИИС бу­
дет связано с рациональным ис­
пользованием сигналов с различны­
ми видами модуляции.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
КОДИРОВАНИЕ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ
ТЕХНИКЕ
7-1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ
КОДИРОВАНИЯ И ИХ СПЕЦИФИКА
В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ
ИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНИКЕ
Теория и практика кодирования
наиболее развиты применительно
к задачам передачи сигналов, воз­
никающим и технике связи и теле­
механике, где под кодированием
понимается представление различ­
ных сообщений в форме, удобной
для передачи их по данному каналу
связи. Поэтому код определяется
как некоторое правило, по которому
каждому сообщению ставится в со­
ответствие определенная комбина­
ция символов (кодовая комбина­
ция).
В дальнейшем под кодированием
будем понимать представление дис­
кретных сообщений в виде кодовых
комбинаций, выраженных в определенйом алфавите.
Многочисленные задачи, возни­
кающие в теории и практике коди­
рования, в конечном итоге могут
быть сведены к задачам эффектив­
ного и помехоустойчивого кодиро­
вания. Первая задача эффективного
кодирования состоит в том, чтобы
найти такой код, при помощи кото­
рого можно было бы передавать
максимальное количество сообще­
ний за минимальное время. Вторая
задача — помехоустойчивого коди­
рования — состоит в том, чтобы най­
ти такой код, который позволял бы
воспроизводить передаваемые сооб­
щения с минимальными искаже­
ниями.
Решение задач эффективного ко­
дирования основывается на исполь­
зовании ряда способов. Остановим­
ся на некоторых из них. Один из та­
ких, назовем его условно принципом
блочного кодирования, удобно пояс­
нить на примере. Пусть для пере­
дачи сообщений (общее количество
которых равно 16 000, сообщения
выражаются в алфавите, состоящем
из 32 букв, и средняя длина сооб­
щения составляет 5 букв) исполь­
зуется кодирование каждой буквы
двоичных символов, а в среднем па
каждое сообщение — 25 двоичных
символов. Однако можно кодиро­
вать не отдельные буквы, а каждое
сообщение в целом. В этом случае
для того, чтобы иметь возможность
закодировать все 16 000 сообщений,
потребуется использовать двоичные
кодовые комбинации длиной 14
двоичных символов, так как число
различных 14-значных комбинаций
равно 214= 16 384. Получается вы­
игрыш в 11 двоичных символов
в среднем на каждом сообщении.
Естественно, что кроме этих двух
«предельных» способов кодирования
(кодирование каждой буквы или
целого сообщения) можно исполь­
зовать
кодирование
отдельных
групп букв — блоков и тоже полу­
чить выигрыш в количестве симво­
лов (а следовательно, и во времени
передачи), необходимых для пере­
дачи сообщений.
Необходимо также указать на
то, что общее количество сообщений
во многих случаях существенно мо­
жет быть уменьшено путем исклю­
чения избыточности, имеющейся
в сообщениях (см. § 2-5, 5-4).
Кодирование может
произво­
диться с учетом статистических ха­
рактеристик источника сообщений:
вероятности появления сообщений
при передаче, вероятности появле­
ния букв в сообщениях и т. п.
В простейшем виде этот способ
можно сформулировать так: те
сообщения (или буквы в сообще­
ниях), которые появляются чаще,
необходимо кодировать с помощью
более коротких кодовых комбина­
ций, а сообщения, появляющиеся
редко, — более длинными кодовыми
комбинациями.
Возможность эффективного ко­
дирования при учете статистических
свойств источников сообщений и ка­
налов связи, по которым передают­
ся эти сообщения, была доказана
К. Шенноном [Л. 7-1]. В дальней­
шем были предложены алгоритмы
построения эффективных
кодов,
в частности алгоритмы Шеннона —
Фэно и Хаффмена (см.; например,
[Л. 7-2, 7-3]).
При решении задач помехо­
устойчивого кодирования использу­
ется одна основная идея — введение
избыточности (введение в кодовые
92
комбинации избыточных символов,
которые не несут информации о пе­
редаваемом сообщении, а служат
лишь для «распознавания» сообще­
ния). В настоящее время известны
многие методы построения помехо­
устойчивых кодов (кодов, которые
позволяют обнаруживать или обна­
руживать и исправлять ошибки).
Эти методы в совокупности образу­
ют довольно полно математически
разработанную
теорию
помехо­
устойчивого кодирования, являю­
щуюся неотъемлемой
составной
частью теории информации. Разра­
ботаны также и соответствующие
технические устройства для помехо­
устойчивого кодирования и декоди­
рования. По теории и технике поме­
хоустойчивого кодирования опубли­
кованы многочисленные
работы,
в том числе монографии (см., напри­
мер, [Л. 7-4—7-6], а также [Л. 7-1,
7-3, 7-7, 7-9] и сборники статей
[Л. 7-10—7-12]).
В настоящей главе основное
внимание уделяется задачам коди­
рования в ИИТ и лишь при рассмо­
трении этих задач будут использо­
ваться, по мере необходимости, не­
которые понятия и методы общей
теории кодирования.
В ИИТ необходимость в кодиро­
вании возникает при решении сле­
дующих проблем:
1. Получение результатов изме­
рений с помощью цифровых измери­
тельных приборов и проектирование
таких приборов.
2. Обработка информации в из­
мерительных информационных си­
стемах с помощью специализиро­
ванных или унйверсальных цифро­
вых вычислительных устройств.
3. Передача
измерительной
информаций по каналам связи.
Следует отметить, что задачи,
связанные с кодированием в ИИТ,
несколько отличаются от задач, воз­
никающих в теории и практике свя­
зи или в телемеханике. Это отно­
сится к первой из перечисленных
задач, т. е. к кодированию, выпол­
няемому в самом процессе измере-
ния. Учитывая это, можно указать
ряд факторов,
обусловливающих
специфику
задач
кодирования
в ИИТ по сравнению с задачами
кодирования в технике связи.
Во-первых, в ИИТ необходимо
кодировать значения непрерывных
измеряемых величин с заданными
метрологическими
характеристи­
ками.
Во-вторых, в системах связи и
телемеханики учитывается и изу­
чается влияние помех на кодирован­
ное сообщение и, как правило,
предполагается, что сам процесс
кодирования сообщения протекает
без помех. При решении же задач
кодирования в ИИТ главное внима­
ние необходимо уделять учету и изу­
чению действия помех в процессе
измерения и заботиться о его поме­
хоустойчивости.
В-третьих, как следствие первых
двух факторов оказывается, что из­
вестные общие характеристики ка­
чества кодирования, применяемые
в теории связи, являются недоста­
точными (или, по крайней мере,
требуют более конкретной и специ­
фической формулировки) для оцен­
ки качества кодирования в ИИТ.
В-четвертых, в ИИТ используют­
ся Цифровые коды, которые основа­
ны на определенных системах счис­
ления (как правило, позицион­
ных).
Так как проблема кодирования
измеряемых величин в процессе из
мерения является наиболее важной
и специфической для ИИТ рассмо­
трим ее более подробно с учетом
перечисленных выше факторов. При
этом будет выявлена также связь
ме>Кду этой проблемой и задачами
кодирования, возникающими при
обработке и передаче измеритель­
ной информации.
7-2. ЦИФРОВОЕ КОДИРОВАНИЕ
ПРИ ИЗМЕРЕНИИ
Цифровое кодирование осущест­
вляется во всех автоматических
цифровых измерительных приборах,
а также в подавляющем большин­
стве ИИС Это кодирование выпол
няют специальные устройства —
аналого-цифровые преобразователи
(АЦП), от качества работы кото­
рых существенно зависит качество
цифровых измерительных приборов
или ИИС в целом. В свою очередь,
многие существенные характеристи­
ки АЦП (погрешность, быстродей­
ствие, помехоустойчивость, простота
конструкции и т. п.) во многом за­
висят от используемых в этих пре­
образователях кодов.
При аналого-цифровом преоб­
разовании
измеряемых
величин
формирование значений образцовой
величины и результата измерений
в принципе может выполняться совместо или раздельно, в одном и
том же или разных кодах. Так,,
например, формирование значений
образцовой величины в АЦП по­
разрядного уравновешивания (см.
гл. 8) может выполняться в двоич­
но-десятичном коде, а результат
измерения выдаваться в десятичном
коде.
Вне зависимости от способа аиа
лого-цифрового
преобразования
(гл. 8) используемые в АЦП кодьг
должны удовлетворять требованиям
простоты, а также удобства техни
ческой реализации, выполнения ло
гических и арифметических опера­
ций над кодовыми комбинациями и
восприятия результатов измерениячеловеком и машиной.
Так как речь идет о цифровом
кодировании, то необходимо рас­
смотреть, как удовлетворяют пере­
численным требованиям различныесистемы счисления.
Требованиям удобства техничес­
кой реализации и простоты выпол­
нения логических и арифметических
операций в наибольшей степени
удовлетворяет двоичная
система
счисления. Для восприятия челове­
ком наиболее привычной и удобной'
остается в настоящее время деся­
тичная система счисления, однако
она труднее реализуется техни­
чески.
Можно, очевидно, использовать
для формирования образцовой ве­
личины в АЦП двоичную систему,
а затем двоичные коды преобразо­
вать в десятичные, однако здесь
также возникают трудности с реа­
лизацией, так как технические
устройства
для преобразования
многоразрядных двоичных кодов
в десятичные получаются весьма
сложными. В связи с этим для ко­
дирования в АЦП очень часто
используются смешанные двоично­
десятичные системы счисления, в ко­
торых каждая десятичная цифра
представляется в виде четырехраз­
рядного двоичного числа (тетрады).
Двоично-десятичные коды удовле­
творяют всем перечисленным выше
общим требованиям (при некоторых
дополнительных условиях, о кото­
рых будет оказано ниже), чем и
объясняется их весьма широкое
применение в ИИТ.
Следует заметить, что как двоич­
ная, так и десятичная системы
являются позиционными системами
счисления, поэтому двоичные и де­
сятичные коды обладают свойства
ми взвешенности и дополнитель­
ности.
Код называется
взвешенным,
если число х может быть представ­
лено в виде
п
х = ^ аг/ггг'-1,
;= 1
где т — основание системы счисле­
ния; т'~1— весовые коэффициенты;
cii — переменные, принимающие лю­
бые целочисленные значения от О
до т—1; п — количество разрядов
числа, представленного в системе
с основанием т
Код называется дополнительным
(точнее обладает свойством допол­
нительности), если для каждого из
коэффициентов ait изображающих
число лд в данном коде, можно ука­
зать правило, по которому одно­
значно могут быть
определены
коэффициенты 6г-, изображающие
в этом же коде число х2, являющее­
ся дополнением дц до некоторого
94
фиксированного числа х3 (число х2
является дополнением числа дц до
х3, если Х1 +х2= х3).
Именно коды, обладающие свой­
ствами взвешенности и дополни­
тельности, позволяют весьма просто
выполнять арифметические опера
ции на ЦВМ Что касается двоично­
десятичных кодов, то их общее ко
личество весьма велико (порядка
2,9-1010) и далеко не все они обла­
дают свойствами взвешенности и
дополнительности.
Для формулирования специфи­
ческих требований, зависящих от
типа АЦП, в котором должен
использоватьсц тот или иной код,
достаточно выделить два типа
АЦП АЦП совпадения (считывания
[Л. 7-3, 7-13]) и АЦП поразрядного
уравновешивания
(поразрядного
кодирования [Л. 7-13]). Остальные
типы АЦП практически никаких
специфических требований к приме­
няемым в них кодам не предъяв
ляют.
В АЦП совпадения, которые
используются главным образом для
измерения линейных и угловых пе­
ремещений и выполняются в виде
специальных кодовых масок со счи­
тывающими элементами (впрочем,
проводились исследования по при­
менению этого способа для измере­
ния электрических величин). Выбор
определенного кода, очевидно, пря
мо влияет на сложность АЦП. Нуж
но подчеркнуть, что в таких АЦП
могут возникать погрешности из-за
неоднозначности
считывания ре
зультата измерения, значения кото
рых могут достигать 50% Поэтому
коды, применяемые в АЦП совпаде
ния, должны обеспечивать, во-пер
вых, минимальную погрешность счи
тывания и, во-вторых, максималь­
ную простоту конструкции кодирую
щей маски. Прежде чем привести
описание кодов, удовлетворяющих
этим требованиям, воспользуемся
следующим широко распространен­
ным способом представления кодов.
Кодовые комбинации, состоящие из
последовательностей двоичных пере-
менных, число которых равно п
(/7-значные кодовые комбинации),
будем рассматривать как точки не­
которого /г-мерного метрического
пространства
Ln. Координатами
этих точек являются двоичные пере­
менные соответствующих кодовых
комбинаций, а метрика понимается
в смысле Хэмминга, а именно: рас­
стояние d(x 1, Хо) между точками Х\
и Хч по определению равно числу
координат, на которое Xi отличается
от Хч. Легко заметить, что расстоя­
ние по Хэммингу удовлетворяет
аксиомам метрики, т. ё.
d(x 1, Хо) > 0 ;
d(x 1, х\) = 0 ;
d{x i , xz) =d{x 2 , Xi);
cl(xu Хч) -\~d(x4, x3) p*
*з)
где Хь *2, Хз — произвольные точки
пространства Ln.
Кроме того,
п
d ( x l, x 2) = 2
(x i ® x i)’
i. /= i
где ® — знак операции суммиро­
вания по модулю 2; xi} xj — соответ­
ствующие координаты точек Xi
и Хч.
Расстояния между всеми точка­
ми пространства Ln (а следователь­
но, и между кодовыми комбинация­
ми) можно представить в виде мат­
рицы расстояний, например, для
трехзначного двоичного кода эта
матрица (см. табл. 7-1) симметричТаблица
7-1
на относительно главной диагонали
в силу аксиомы симметрии.
Если при кодировании исполь­
зовать только такие кодовые комби­
нации, для которых соответствую­
щие точки пространства находятся
на одинаковом расстоянии друг от
друга (например, комбинации 101,
НО, 000), то получим так называе­
мый э к в и д и с т а н т н ы й код. Если
же значения кодируемой величины
представить в виде упорядоченного
ряда и кодировать их так, чтобы
«соседним»
значениям величины
(соседними считаются также первое
и последнее значения) соответство­
вали равноотстоящие соседние ко­
довые комбинации, то такой код бу­
дет к в а з и э к в и д и с т а н т н ы м.
Теперь рассмотрим коды, удов­
летворяющие приведенным выше
двум требованиям.
Так как погрешность, связанная
с неоднозначностью
считывания,,
возникает главным образом из-за
сдвигов считывающих элементов, то,
очевидно, значение этой погрешнос­
ти может быть тем больше, чем
больше двоичных переменных изме­
няют значения при переходе от од­
ной соседней кодовой комбинации
к другой, т. е. чем больше расстоя­
ние между соседними кодовыми
комбинациями. Очевидно также, что
если расстояние между соседними
кодовыми комбинациями будет рав­
но единице, то и погрешность неод­
нозначности также не будет превос­
ходить единицы дискретности. Та­
ким образом, первому требованиюудовлетворяют
квазиэквидистантные коды с единичным расстоянием.
Эти коды, которые называют таюйе
о т р а ж е н н ы м и , или р е ф л е к с н ы м и, широко применяются при
построении кодирующих
масок.
Примером
квазиэквидистантного
двоичного кода с единичным рас­
стоянием является известный код
Грея. Разработаны и находят прак­
тическое применение также различ­
ные двоично-десятичные квазиэквидистантные коды с единичным рас­
стоянием [Л. 7-13—7-15].
Весьма важным и ценным явля­
ется то обстоятельство, что приме­
нение квазиэквидистаитных кодов
позволяет уменьшить погрешности
считывания и в некоторых случаях,
например, при d> 1, повысить поме­
хоустойчивость
кодирования
[Л. 7-19]. В связи с этим большой
интерес представляют алгоритмы
построения
квазиэквидистаитных
кодов с заданным расстоянием Для
кодов с единичным расстоянием та­
кие алгоритмы были найдены раз­
личными авторами [Л. 3-13—7-17]
Алгоритм
синтеза
квазиэквидистантных двоичных кодов с произ­
вольным
расстоянием
описан
в [Л. 7-18]. Квазиэквидистантные
двоично-десятичные коды детально
исследованы в [Л. 7-191.
Для выполнения второго требо­
вания (простота кодовой маски)
были разработаны специальные ко­
ды [Л. 7-17, 7-20, 7-21] (см. также
|[Л. 7-13, 7-14, 7-19]), основные прин­
ципы построения которых мы рас­
смотрим на примере кодов Липпела
[Л. 7-20]. В табл. 7-2 приведены ко­
довые комбинации для кодирования
десятичных цифр четырехзначным
кодом Липпела.
Таблица
Десятичны е
цифры
0
1
2
3
4 .
5
6
7 /
8
9
7-2
К одовы е
комбинации
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
Как видно из табл. 7-2, сущест­
венной особенностью этого кода
является то, что на кодовой маске
три кодовые дорожки, соответст­
вующие трем старшим двоичным
разрядам, содержат подряд пять
нулей, а затем пять единиц, причем
эти дорожки отличаются друг от
друга только сдвигом (по вертика
ли) Это во-первых, упрощает тех­
нологию изготовления кодовой мас­
ки, а самое главное вместо трех
дорожек можно использовать одну
только для считывания необходимы
три сдвинутых на соответствующие
расстояния считывающих элемента
Еще более простой получается
кодовая маска при использовании
так называемых кольцевых кодов
[Л. 7-21], так как маска в этом слу
чае состоит ‘всего лишь из одной
кодовой дорожки (количество счп
тывающих элементов при этом рав
но значности кода).
Интересно отметить, что иекото
рые коды, обеспечивающие просто
ту кодовой маски, являются также
и квазиэквидистаитными. Например,
в [Л. 7-17] показано, что среди
квазиэквидистаитных кодов с едп
личным расстоянием существуют
коды Липпела. Однако доказано
также [Л. 7-19], что среди двоично
десятичных
квазиэквидистаитных
кодов с расстоянием 3 кодов Липпе­
ла не существует.
Первым требованием, которому
должны удовлетворять коды, приме­
няемые в АЦП уравновешивания,
является требование взвешенности.
Применение взвешенных кодов нс
только обеспечивает возможность
выполнения арифметических опера­
ций, но и позволяет использовать
в АЦП минимальное количество
мер.
Так как в АЦП уравновешива­
ния в основном используют только
двоичный код и различные двоичнодесятичные коды, то задача синтеза
(или выбора) кодов, удовлетворяю­
щих определенным требованиям,
фактически сводится к задаче, син­
теза соответствующих двоично-де­
сятичных кодов, поэтому ниже бу­
дут рассматриваться только двоич­
но-десятичные коды.
Вторым требованием является
свойство дополнительности, обеспе­
чивающее упрощение выполнения
арифметических операций и преоб­
разования одних двоично-десятич­
ных кодов в другие.
В отличие от АЦП совпадения,
в которых кодирование измеряемой
величины осуществляется за один
такт сравнения этой величины с на­
бором мер, процесс кодирования
в АЦП уравновешивания требует
нескольких тактов сравнения, число
которых зависит от применяемого
в АЦП кода и количества устройств
сравнения. Отсюда вытекает третье
требование, предъявляемое к ко­
дам, — обеспечение максимального
быстродействия АЦП.
Наконец, четвертое
требова­
ние — обеспечение помехоустойчи­
вости процесса кодирования в АЦП
уравновешивания.
Коды, обеспечивающие помехо­
устойчивое кодирование, будут рас­
смотрены в следующем параграфе,
а здесь мы приведем некоторые ре­
зультаты исследования двоично­
десятичных кодов, удовлетворяю­
щих первым трем требованиям.
Однако следует отметить, что если
результаты измерений, выраженные
в двоично-десятичном коде, предпо­
лагается вводить непосредственно
в цифровые вычислительные маши­
ны для обработки, то коды в этом
случае
должны
удовлетворять
[Л. 7-22] также требованиям един­
ственности (однозначное соответст­
вие между десятичными цифрами и
двоичными тетрадами), упорядочен­
ности (большей десятичной цифре
должна соответствовать
большая
тетрада) и четкости (четным циф­
рам должны соответствовать четные
тетрады, нечетным — нечетные те­
трады).
В
результате
исследования
свойств взвешенных двоично-деся­
тичных кодов было установлено
[Л. 7-22, 7-23], что все эти коды
могут быть образованы из конечно­
го множества наборов
весовых
коэффициентов,
причем весовые
коэффициенты могут быть только
целыми положительными или отри­
цательными числами. В [Л. 7-23]
доказана следующая теорема: во
7 — 741
взвешенных двоично-десятичных ко­
дах существует только 17 различ­
ных наборов со всеми положитель­
ными коэффициентами, 54 набора
с одним отрицательным и 17 набо­
ров с двумя отрицательными весо­
выми коэффициентами.
Там же приведены таблицы всех
88 наборов весовых коэффициентов,
которые могут быть использованы
при двоично-десятичном кодирова­
нии, подсчитано количество раз­
личных двоично-десятичных кодов,
которые могут быть получены из
каждого набора весовых коэффи­
циентов (путем перестановки коэф­
фициентов и использования всех
возможных способов формирования
десятичных цифр). Общее число
всех взвешенных двоично-десятич­
ных кодов равно 14 664.
При рассмотрении взвешенных
двоично-десятичных кодов, обла­
дающих свойством дополнительно­
сти, обычно используют десятичное
дополнение до 9 или 10. В [Л. 7-23]
показано, что количество взвешен­
ных дополнительных до 9 двоично­
десятичных кодов равно 1 320 и до­
полнительных до 10—720, причем
дополнительные до 9 коды образу­
ются из 24 наборов весовых коэф­
фициентов, а дополнительные до
10 — из 9 наборов.
Зависимость
быстродействия
АЦП поразрядного уравновешива­
ния от применяемого двоично-деся­
тичного кода видна хотя бы из
следующего простого примера. Если
в АЦП используется код 2—4—2—-1
и значение измеряемой величины х
находится в диапазоне 1<;х<3, то
для определения этого значения до­
статочно выполнить две операции
сравнения и логическую операцию
(считаем, что порядок участия весо­
вых коэффициентов при сравнении
с х определен слевах направо и что
«лишние» операции сравнения не
производятся), если же использует­
ся код 8—4—2—1, то в этом случае
понадобится выполнить четыре опе­
рации сравнения. Из этого примера
видно, что оптимальность (в смысле
быстродействия АЦП) двоично-де­
сятичного кода зависит от закона
распределения измеряемой вели­
чины.
Оптимальным в смысле быстро­
действия АЦП будем считать такой
двоично-десятичный код, при приме
нении которого на определение зна­
чений измеряемой величины в сред
нем затрачивается
минимальное
число операций сравнения. Тогда
задача выбора оптимального кода
фактически аналогична задаче опти­
мального статистического кодирова­
ния, рассматриваемой в теории
информации
(см.,
например,
[Л. 7-1]).
Используя соответствующие ре­
зультаты теории информации
и
ограничиваясь рассмотрением толь­
ко
двоичных
сравнивающих
устройств, можно показать [Л. 7-19],
что для равномерно распределенной
в диапазоне измерения измеряемой
величины оптимальными являются
двоично-десятичные коды 5—2—
1— 1, 4—4—2—1, 4—2—2—1, 5—3—
2—1, 5 - 3 —1— 1, 5—2—2—1, 6—4—
2—1, 6—2—2—1. При нормальном
законе распределения измеряемой
величины оптимальными являются
двоично-десятичные
коды 6—4—
2—1 и 4—4—2—1.
Нужно заметить, что учет закона
распределения вероятностей изме­
ряемой величины при выборе типа
кода целесообразно производить
для старшей декады АЦП.
7-3. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЕ
КОДИРОВАНИЕ
Задача помехоустойчивого коди­
рования в ИИТ фактически распа­
дается на две самостоятельные за­
дачи (см. § 7-1):
1. Синтез кодов, обеспечиваю­
щих получение правильного резуль­
тата кодирования, когда помехи
действуют в процессе кодирова­
ния.
2. Синтез кодов, обеспечиваю­
щих помехоустойчивость кодирован­
ных результатов (измерения, кон98
троля), когда помехи действуют
в процессе передачи этих результа
тов по каналам связи
При решении первой задачи сра
зу же возникает необходимость вве
дения некоторой количественной
меры помехоустойчивости кода, так
как традиционные характеристики
помехоустойчивости кодов (напри
мер, вероятность искажения сооб
щения) в этом случае являются
недостаточными. В самом деле, при
кодировании в процессе измерения
существенный интерес представляет
не только наличие несоответствия
результата кодирования действи
тельному значению измеряемой ве
личины (наличие искажения), но и
мера этого несоответствия (зиаче
ние погрешности). Поэтому в каче­
стве количественной меры помехо
устойчивости кодов целесообразно,
очевидно, использовать такую ха­
рактеристику, которая одновремен
но учитывала бы и несоответствие
результата кодирования действи­
тельному значению измеряемой ве­
личины, и вероятность появления
этого несоответствия. Такой харак
теристикой может быть, например,
случайная погрешность Е результа­
та кодирования, определяемая фор
мул ой
Е = X—X(Y),
где X — результат кодирования при
отсутствии помех; А (У) — резуль4ат кодирования при воздействии
помехи.
При заданных законах распре­
деления измеряемой величины X и
помехи У закон распределения Е
будет зависеть только от исполь­
зуемого кода и, следовательно, сам
закон распределения Е или его чис­
ловые характеристики (математи­
ческое ожидание 7И[Е] и дисперсия
jD[E]) будут такими характеристи­
ками помехоустойчивости кода, ко­
торые учитывают и погрешность
кодирования и вероятность ее по­
явления.
Таким образом, для решения
первой задачи можно предложить
следующий способ: при заданных
законах распределения X и У под­
считать значения М[Е] и D[Е] для
различных кодов, которые предпо­
лагается использовать в АЦП, и
выбрать из них такой код, для кото­
рого Л4[Е] и £>[Е] минимальны.
Предварительно, естественно, необ­
ходимо найти зависимости Л4[Е] и
/)[Е] от применяемого кода. Суще­
ственным недостатком этого спосо­
ба является большой объем вычис­
лений, так как задача решается
фактически перебором всех возмож­
ных вариантов. Однако при различ­
ных ограничениях множество ва­
риантов можно значительно сокра­
тить и относительно просто полу­
чить конечный результат. Во-пер
вых, не ограничивая общности зада
чи, достаточно рассмотреть кодиро­
вание только одного десятичного
разряда. Во-вторых, можно ограни­
читься анализом только наиболее
распространенных двоично-десятич­
ных кодов, включая двоичный код
8—4—2—1. В-третьих, законы рас­
пределения X и У во многих практи­
чески встречающихся случаях мож­
но принять равномерными. С учё­
том этих условий, а также ряда
других ограничений (статистичес­
кая независимость X и У, ограни­
ченная длительность помехи и т. п.)
в [Л. 7-24] (см. также [Л. 7-18])
были получены следующие выраже­
ния для Л4[Е] и 2Э[Е], справедли­
вые для произвольных законов рас­
пределения измеряемой величины и
помехи:
М|Е|=тЕi Е/ ЕI <2* ~
-
где Xi —
i-eквантование значе
измеряемой величины, - равное i еди­
ниц (квантов), t = 0, 1, 2 , 9 ;
*,
соответуи~
Э1— i-e
* значение помехи
w
ственно положительной и отрицатель­
ной полярности, равное / квантов,
которая действовала во время Ьрав­
нения х с двоичным разрядом I =
= I, 2,... 8;
I= 1, 2,3,4); х
результат кодирования лу значения
измеряемой величины при помехе ун;
р { — вероятность появления i-ro зна­
чения измеряемой величины ^ А-==
*1
J
fl {x)dx\ f i ( x ) —плотность рас
*t-l
пределения х); р$ — вероятность по­
явления /-го
значения
помехи
=
(
4
\ p i = j f*(y)dy\
плотность
распределения помехиj .
Результат кодирования t-ro зна­
чения измеряемой величины может
быть представлен в виде
4
• * » = 2 azYi.
z=i
где щ — весовые
коэффициенты
двоично-десятичного
кода, уi —
двоичные переменные, определяе­
мые равенствами
0, х < У 1акЧь-\-сц,
k
2,...
Y*=
1,
+
где x — действительное значение из­
меряемой величины.
Результаты расчета для шести
двоично-десятичных кодов при рав­
номерных законах распределения X
и У приведены в табл. 7-3.
Как видно из табл. 7-3, по кри­
терию М[Е] лучшим является код
5—1—2—1, по критерию D [ Е] —
код 4—3—2—1.
7*
99
Таблица 7-3
1
1
Код
1
1
I
1
1
см
1
1
1
см
1
1
т
со
7
см
7
•'а*
J
со
1
1
со
см
1
1
1
1
см
1
1
1
1
L.O
см
ю
1
1
М [Е]
0 ,1 8 7
0 ,1 7 8
0 ,2 0 1
0 ,1 8 4
0 ,1 2 5
0 ,0 8 0
D[E]
1,0 7 4
1 ,0 7 3
1 ,0 4 8
1 ,2 0 2
1 ,1 8 5
1 ,1 4 9
Может оказаться, что сущест­
вующие неизбыточные коды (даже
если среди них будет выбран наибо­
лее помехоустойчивый код при за­
данных законах распределения X и
Y) не обеспечивают требуемой по­
мехоустойчивости процесса кодиро­
вания, тогда приходится применять
специальные
помехоустойчивые
коды,
содержащие
избыточные
двоичные разряды. При, построении
таких кодов возникает дополнитель­
ная трудность, связанная с тем, что
кодируется неизвестное «сообще­
ние» (неизвестное значение изме­
ряемой величины) из-за чего рас­
пространенные методы построения
избыточных кодов с проверками на
четность, а также другие методы
неприменимы.
В [Л. 7-19] предложен способ
введения избыточности в двоичцодесятичные коды, в котором исполь­
зуется проверка необходимых усло­
вий постоянства измеряемой вели­
чины в течение времени кодирова­
ния одного десятичного разряда.
Эта проверка осуществляется с по­
мощью двух двоичных избыточных
разрядов с весами 0 и 1, добавляе­
мых к коду двоично-десятичногоразряда. Применение таких кодов
позволяет обнаруживать все еди­
ничные ошибки и некоторые двух
трех и четырехкратные ошибки.
Одако и применение кодов, обна
руживающих ошибки, не решает
проблемы помехоустойчивого коди
рования, так как результаты с обна
руженными ошибками не исполь­
зуются и измерение необходимо'
повторять. В связи с этим весьма
актуальной является задача по­
строения
кодов,
позволяющих
исправлять ошибки, возникающие
в процессе кодирования. Для реше­
ния этой задачи обычно исполь­
зуются одновременно и избыточные
коды, и избыточные устройства ко­
дирования.
Например
(см.
[Л. 7-19]), кодирование измеряе­
мой величины может производиться
одновременно по двум параллель­
ным каналам, в каждом из которых
используются избыточные двоично­
десятичные коды, обнаруживаю
щие одиночные ошибки и имеющие
различные
кодовые комбинации
для кодирования одинаковых деся
точных цифр. Решение второй из
указанных в начале этого парагра­
фа задач помехоустойчивого коди
рования в ПИТ может быть полу
чено известными методами построе
ния
помехоустойчивых
колов
[Л. 7-1—7-12]
Ч А С Т Ь
В Т О Р А Я
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
В самом общем виде, как это
было показано в гл. 1, на вход из­
мерительных систем может посту­
пать множество величин (Х\, Х2,
Xi,
Хп), изменяющихся во
времени и (или) распределенных
в пространстве.
На выходе измерительных си­
стем получаются именованные чис­
ла, их отношения или графические
зависимости, позволяющие произ­
вести количественную ✓ оценку со­
стояния измеряемых величин.
Измерительные системы могут
выполнять прямые, косвенные, со­
вместные и совокупные измерения
[Л. 8-1]. В измерительных систе­
мах, предназначенных для прямых
измерений, величины Xi доступ­
ны для выполнения операций из­
мерения.
В измерительных системах для
косвенных
измерений
значения
искомых величин Z находят на.
основании известных зависимостей
ср между величинами Z и величина­
ми Х и подвергающимися прямым
измерениям:
Z = y ( X u Х 2, . . . ,
Х п).
В качестве примеров косвенных
измерений можно привести: нахож­
дение плотности однородного тела
по его массе и геометрическим раз­
мерам; измерение удельного сопро­
тивления проводника по его сопро­
тивлению, длине и площади по­
перечного
сечения;
определение
к. п. д. машины по результатам из­
мерения потребляемой и отдавае­
мой мощностей.
Следует заметить, что при кос­
венных измерениях может сущест­
вовать
несколько
зависимостей
между искомой величиной и величи­
нами, подлежащими прямым изме­
рениям. Поэтому при создании ИС
для косвенных измерений необходи­
мо выбирать, какую из известных
зависимостей и между какими вели­
чинами использовать при построе­
нии ИС в данном случае. Иногда же
для измерения одцой и той же
величины о целью
повышения
точности результата измерения в
аппаратуре используются одновре­
менно несколько известных зависи­
мостей.
От рассмотренных существенно
отличаются задачи измерения при
наличии и учете известных или за­
ранее неизвестных связей между
измеряемыми величинами. Подоб­
ного рода измерения возникают при
статистическом анализе измеряемых
величин, при изучении состава га­
зовых и жидких смесей (положим,
измерение концентрации отдельных
компонентов), измерении парамет­
ров физических полей, исследовании
и оценке состояния сложных техни­
ческих или биологических объектов
и т. п.
При измерении в ИС взаимосвя­
занных величин можно выделить
два основных вида измерений:
измерение обобщающих параме­
тров, характеризующих
взаимо­
связь величин между собой (стати­
стические оценки, коэффициенты
аппроксимирующих
многочленов
и т. п.);
раздельное измерение зависимых
величин (комплексные составляю­
щие сопротивлений, параметры эле­
ментов, образующих сложную цепь,
концентрации компонентов смесей
и т. и.).
Указанные разновидности -изме­
рений взаимосвязанных
величин
относятся к совместным и совокуп
ным измерениям [Л. 8-1].
С о в м е с т н ы е измерения опре­
деляются [Л. 8-1] как производи­
мые одновременно измерения двух
или нескольких величин для нахож­
дения зависимости между ними. Н а­
пример, измерения, при которых
электрическое сопротивление при
температуре 20 °С и температурные
коэффициенты измерительного ре­
зистора находят по данным прямых
измерений его сопротивления при
различных температурах. Видимо,
к этому виду измерений могут быть
отнесены измерения статистических
оценок случайных величин и, про­
цессов, коэффициентов аппрокси­
мирующих многочленов и т. и.
В общем виде в результате со­
вместных измерений могут быть по­
лучены характеристики G*C0Bм, оце­
нивающие количественно взаимо­
связь между величинами Х{\
G * cobm—
Х2, ..., Хп).
В простейшем
случае,
если
имеется одна величина, изменяю­
щаяся во времени, могут быть по­
лучены оценки
G*COBM= / 7i № ) .
Согласно [Л. 8-1] с о в о к у п ­
ные
измерения — производимые
одновременно измерения несколь­
ких одноименных величин, при ко­
торых искомые значения величин
находят решением системы уравне­
нии, получаемых при прямых изме­
рениях различных сочетаний этих
величин. Например, измерения, при
которых массы отдельных гирь на­
ходят по известной массе одной из
них и по результатам прямых изме­
рений масс различных сочетаний
102
гирь. Видимо, указанный в ГОСТ
случай является частным случаем
раздельного измерения зависимых
величин. В общем же случае изме­
ряемые величины могут быть неод­
ноименными и связь между ними
может быть разнообразной.
Таким образом, в результате
совокупных измерений получаются
значения измеряемых величин Х{
при наличии других взаимосвязан­
ных с ними величин:
Х{= ^ ( Х и Х2, ..., Х м ,
Xi+u ..., Хп) •
В этой части книги последова­
тельно рассматриваются следующие
разновидности ИС:
в разделе А (гл. 8—13)— ИС
для прямых измерений, т. е. неза­
висимых измерений дискретных зна­
чений непрерывных величин;
в разделе Б (гл. 14—16)— ста­
тистические ИС — системы, предна­
значенные для измерения статисти­
ческих характеристик измеряемых
величин;
в разделе В (гл. 17) — системы,
предназначенные для раздельного
измерения зависимых величин.
Основное внимание в этой части
книги уделяется ИС для прямых
измерений (раздел А). Это объясня­
ется тем обстоятельством, что они
помимо автономного применения
с представлением измерительной
информации оператору используют­
ся в качестве входных устройств
ЭВМ.
Измерительные системы для кос­
венных измерений в этой части кни­
ги не рассматриваются, так как си­
стематизировать и обобщить имею­
щийся по ним материал не предста­
вилось возможным
' Измерительные системы для со­
вместных измерений представляют
обширный класс В разделе Б вы­
делен и систематизирован один из
наиболее важных и распространен­
ных типов ИС для совместных
измерений — -статистических ИС.
Здесь приводятся основные опреде-
ления, оценки погрешностей и алго­
ритмы получения статистических
характеристик измеряемых величин,
которые могут быть использованы
в специализированных ИС и в ИС
с ЭВМ. Нужно отметить, что к этой
разновидности ИС можно отнести
аппроксимирующие устройства, опи­
санные в гл. 5.
В разделе В (гл. 17) системати­
зируются основные способы раз­
дельного измерения зависимых ве­
личин, относящихся к совокупным
.измерениям.
Для построения ИС, как это
следует из обобщенной структурнофункциональной схемы ИИС (см.
рис. 1-1), используются первичные
А.
измерительные
преобразователи
(датчики), измерительные
цепи,
образцовые меры, устройства срав­
нения, аналоговые, аналого-цифро­
вые и цифро-аналоговые 'преобразо­
ватели, аналоговые и цифровые вы­
числительные устройства. Посколь­
ку их изучению посвящена спе­
циальная литература, в дальнейшем
в необходимых случаях дается лишь
краткая характеристика элементов*
используемых в ИС. Исключение
сделано для устройств индикации
и регистрации информации (гл. 9)
в ИС, а также для измерительных
коммутаторов (гл. 12), являющихся
важным элементом. ИС параллель­
но-последовательного действия.
И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е СИСТЕМЫ Д Л Я
ИЗМЕРЕНИИ
ПРЯМЫХ
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
СТРУКТУРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ д л я ПРЯМЫХ
ИЗМЕРЕНИЙ
Измерительные системы
для
прямых измерений охватывают наи­
более многочисленные практические
приложения. Полезно рассмотреть
основные типы структур таких си­
стем и дать оценку их свойств
Выделим основные элементы си­
стем, без которых невозможно полу­
чение измерительной информации;
и на этом ‘элементном базисе опре­
делим возможные структуры ИС.
К основным элементам (рис. 8-1)
любых ИС для прямых- измерений
относятся воспринимающие элемен­
ты — датчики {Д}, устройства {М},
формирующие значения образцовых
мер, устройства {С} сравнения зна­
чений измеряемой
величины и
образцовой меры и устройства {В}
формирования и выдачи результата
измерения.. Устройство автоматичес­
кого управления работой элементов
ИС является также необходимым
элементом, но в первом приближе­
нии можно его считать равноцен­
ным для всех вариантов структур и
поэтому не включать его в состав
базиса элементов, определяющего
основные разновидности структур.
Предположим, необходимо изме­
рить значения однородной физичес­
кой величины в п точках. Опреде­
лим минимальное и максимальное
количество элементов
принятого
базиса, необходимых для организа­
ции работы ИС. Максимально необ­
ходимое количество датчиков в этом
случае должно быть равно п\ мини-
Рис.
8-1.
Основные функциональные
элементы ИС.
Рис. 8-2. Основные схемы уравновешивания
при измерении.
/ — в ы полнение оп ер а ц и й
ср ав н ен и я :
/ / — уч ет
и н ф о р м а ц ии о р е зу л ь т а т е п р е д ы д у щ ей оп ер ац и и
сравнения; I I I — н ап р а в л ен и е и зм ер ен и я о б р а з ц о ­
вой величины- IV — с п о со б п ол уч ен и я р е зу л ь т а т а
и зм ер ен и я .
Способы у р ав н ов еш и в ан и я : / — п о р а зр я д н о е; 2 —
развертывающее: 3 — с л ед я щ е е ;
4 — сл уч ай н ы й
поиск (при ур а в н о в еш и в а н и и м огут рав н оси л ь н о
изменяться зн а ч ен и я как о б р а з ц о в о й , т а к и и з м е ­
р я ем о й в ел и ч и н ы ).
малыше число датчиков равно одно­
му. В последнем случае датчик
должен последовательно «разме­
щаться» во всех п точках.
Перед определением предельно
необходимого количества устройств
сравнения и образцовых мер кратко
остановимся на их взаимодействии
при прямом измерении одного зна­
чения величины. Более подробно
этот вопрос исследуется в литерату­
ре по аналого-цифровым преобразо­
вателям [Л. 8-2]. Ограничимся рас­
смотрением основных разновиднос­
тей способа одновременного сравне­
ния, при которых в операциях срав­
нения непосредственно участвуют
образцовые меры [Л. 8-3]. Заметим,
что и способы разновременного
сравнения могут эффективно приме­
няться в ИС, но это — предмет осо­
бого разговора.
В зависимости от количества
участвующих в процессе измерения
устройств сравнения в предельных
случаях различаются
последова­
тельное
выполнение
операций
сравнения — уравновешивание (при
одном устройстве сравнения) и па104
раллелыюе — совпадение (при ко­
личестве устройств сравнения, рав­
ном количеству интервалов кванто­
вания диапазона измеряемой вели­
чины) .
В преобразователях уравновеши­
вания одно устройство сравнения
последовательно производит опера­
ции сравнения значения измеряемой
величины со значениями меры, из­
меняющимися с учетом или без
учета
информации,
полученной
в результате предыдущей операции
сравнения. На рис. 8-2 показаны
основные способы уравновешивания
(поразрядное, следящее, разверты­
вающее и случайный поиск), а на
рис. 8-3 — графы характеризующие
порядок выполнения операций из­
мерения i величины х, динамичес­
кий диапазон которой разделен на
восемь интервалов квантования.
На рис. 8-2 показано также, что
операции выдачи информации, неза­
висимо от того, как выполнялись
операции сравнения, могут выпол
пяться как последовательно (счет
значений образцовой величины),
так и параллельно (считывание за-
а)
б)
6)
г)
Рис. 8-3. Графы способов уравновешивания
и совпадения.
а — п о р а зр я д н о е у р а в н о в еш и в а н и е; б — сл ед я щ ее
у р а в н ов еш и в а н и е; в — развертывающее уравнове­
ш ивание; г — совпадение.
ранее
установленных
значении
образцовой величины).
В настоящее время выполнено
значительное количество исследова­
ний, направленных на поиски наи­
лучших сочетаний способов совпа­
дения и уравновешивания при вы­
полнении опеределепных заданных
условий измерения значения одной
величины.
Наиболее полно, пожалуй, такой
анализ с использованием аппарата
теории оптимального одномерного
поиска [Л 8-5] проведен в [Л. 8-4].
Задача, рассматриваемая в [Л. 8-4],
кратко сводится к следующему.
Значение измеряемой величины мо­
жет с равной вероятностью на­
ходиться в любой точке отрезка
[0,1], следовательно, отрезок [0,1]
делится на две части, одна из кото­
рых «заполняется» измеряемой ве­
личиной, другая — является «пус­
той». В процессе измерения выпол­
няются операции сравнения значе­
ний измеряемой и известной вели­
чин. Операцию сравнения можнф
уподобить «приложению» устройст­
ва сравнения к точке отрезка [0,1],
определяемой значением исполь­
зуемой при этом известной величи­
ны. Каждая выполненная операция
сравнения уменьшает исходную не­
определенность знаний о значении
измеряемой величины, и в конце
процесса измерения отыскивается
участок, в котором находится значе­
ние измеряемой величины. Эта зона
неопределенности Д зависит от ко­
личества выполненных операций
сравнения и от алгоритма форми­
рования значений образцовой вели­
чины.
Обозначим отношение длины от­
резка [0,1] к зоне неопределенности
Д, оставшейся после измерения,
через Q; учтем также, что количест­
во операций сравнения зависит от
количества К участвующих в про­
цессе сравнения устройств сравне­
ния и от числа i выполненных так­
тов или шагов сравнения, опреде­
ляющих в конечном счете быстро­
действие процесса измерения. Если
I
наложить еще условия 5 на после­
довательность выполнения опера­
ций
сравнения и считать, что
устройства
сравнения обладают
одним порогом срабатывания, то
возможно формализовать процесс
измерения, получить ряд алгорит­
мов (iy К у S) и сравнить их между
собой по значениям Q. Очевидно*
оптимальными можно считать алго­
ритмы (i, К, 5), обеспечивающие
при равных условиях S наибольшее
значение Q.
При
двоичном
поразрядном
уравновешивании
последователь­
ность точек «приложения» устройств
сравнения по направлению не огра­
ничивается (S = 0), его алгоритм
(iy 1, 0) обеспечивает Q = 2к
Использование метода совпадения!
соответствует алгоритму (1, К, 0) гг
обеспечивает Q = /( + l. При развер­
тывающем уравновешивании направ­
ление
«приложения» устройств
сравнения
является монотонно
односторонним (S==l), его алго­
ритм (i, 1,1) обеспечивает Q = i+ L
В результате исследования алго­
ритмов (iy Ку 0), при которых не
ограничивается количество шагов
и устройств сравнения, а также по­
следовательность
«приложения»
устройств сравнения, в [Л. 8-4] был
получен оптимальный алгоритм А
(i. К, 0).
Этот алгоритм предусматривает
равномерное квантование отрезка
[а, Ь\ с помощью К устройств срав
нения на /0+1 частей и выделение
отрезка [xl.t х 1 \, содержащего зна­
чение измеряемой величины х. Заме­
тим, что здесь / = 0, 1
, а х 01 =
=ау x kl +l=b. Затем отрезок [хх., x \ +l J
вновь квантуется на К + 1 частей
и выделяется отрезок [x2jt x 2j+l], со­
держащий х. На t-м ходе алгоритма
квантуется отрезок [х1~ \ х 1~ 1г\ вновь
на К + 1 частей и выделяется отре­
зок [xljt x jl+ ], содержащий х. Тогда
Q = (K + l) K
105,
Этот алгоритм при i= 1 вырож­
дается в (1, К 0) алгоритм, а при
1—в (i, 1, 0) алгоритм; оба
алгоритма были приведены выше.
При К ^ 2 образуется комбинация
методов совпадения и уравновеши­
вания. Если из этого -класса алго­
ритмов выделить алгоритмы, для
которых величина Q является бли­
жайшей сверху к И000, то о харак­
тере связи между i и К можно су­
дить по следующим данным:
/С=
к
1
3
5
31 1 000
i
10
1 024
5
1 024
3
2
1 024
Q
1 296
1
1 001
Следовательно, увеличение ко­
личества устройств сравнения дает
существенный выигрыш в быстро­
действии только при малых К.
В классе алгоритмов (/, /С, 1)
оптимальные алгоритмы обеспечи­
вают при (/, 1, 1) Q(i, K ) = i + \ и
при (1, /С, 1) Q(t, К ) = К + 1 . При
произвольном количестве i и К
оптимальный алгоритм обеспечивает
Q(i,K) = c ?+K =
___ ( * Ч ~
—
1) ( i + 2). . . ( t +
1•2 ... /(
Ц /С +
1) ( / С +
2
)
/С)
____
~~
(/С +
0
"
Ь2. ..К
—
В этом случае зависимость i —
= Ф(К) при Q ^Q o~1000 представ­
ляется следующим образом:
К
i
Q
1
2 3
4
44 16
10
1 001 1034 1 068 1 001
1 000
5 10 1 000
8
4
1
1 287 1 001 1 001
Следует заметить, что ограниче­
ние в выборе направления «.переме­
щения» устройств сравнения приво­
дит к некоторому увеличению коли­
чества шагов i при одних и тех же
К и Q. Однако при этом облегчают­
ся условия работы устройств срав­
нения.
При наложении дополнительных
условий на соотношения между
интервалами квантования по уров
ню на время восстановления рабо106
тоспособности устройств сравнения
после их срабатывания могут быть
получены различные оптимальные
(с точки зрения уменьшения зоны
неопределенности.) алгоритмы поис­
ка значения измеряемой величины
Имеется также возможность раз
работки помехоустойчивых алгорит
мов (путеод введения информацион
ной избыточности за счет увеличе
ния i или -структурной избыточности
за счет увеличения К) или алгорит
мов, уменьшающих динамическую
погрешность измерения [Л. 8-4]
Не представляется возможным
более подробно останавливаться на
закономерностях измерения значе
ния одной величины. Сказанного до
статочно, чтобы показать влияние
количества устройств сравнения и
образцовых мер на организацию
измерений.
В измерительных системах, пред
назначенных для прямых измерений
значений нескольких величин, си
туация усложняется:
появляется
возможность' дополнительных к пе
речисленным соотношений между
количеством участвующих в процес
се измерения устройств сравнения
и образцовых мер. Перейдем к рас
смотрению разновидностей структур
ИС, учитывающих эти соотношения
Существенно изменяются и раз
вообразятся алгоритмы работы ИС
при наличии взаимосвязи между
измеряемыми величинами или при
некоторых других измерительных
ситуациях. Особенности таких си
туаций
будут
рассматриваться
в соответствующих главах.
Для выявления основных ва­
риантов структур рассматриваемого
класса ИС примем в первом при­
ближении, что максимальное коли­
чество устройств сравнения, образ­
цовых мер и устройств выдачи (ото
бражения) информации равно п,
а минимальное — единице. В то же
время будем подразумевать, что
в некоторых вариантах структур
при измерении отдельных значений
измеряемых величин могут быть
использованы перечисленные выше
способы выполнения операций срав­
нения и выдачи информации.
В рассматриваемых ИС при п
точках измерения и при равномер­
ном распределении вероятностей из­
меряемой
величины
суммарная
энтропия определяется как Hz (X) =
= п login
(где
т — количество
интервалов квантования по уров­
ню).
В табл. 8-1 показаны предельные
количества основных элементов ИС
и основные варианты структур. По­
жалуй, нужно еще раз подчеркнуть,
что здесь не представлены, но могут
быть синтезированы многочислен­
ные промежуточные (комбинирован­
ные) варианты.
На рис.
8-4
представлены
варианты структур, нашедших наи­
большее распространение. К ним
относятся варианты структур ИС
параллельного
принципа
дей­
ствия
(№
1
пД-пС-пМ-пВ\
№ 2 пД пС-пМ-В), параллельного
принципа с общим набором образ
цовых мер (№ 3 пд-пС-М-пВ
№ 4 пД-пС-М-В), параллельно-по­
следовательного (№ 7 пД-С-М-пВ;
№ 8 пД-С-М-В)
и последо­
вательного
(№ .15 Д-С-М-пВ\
№ 16 Д-С-М-В) принципов дейст­
вия. Перечисленные варианты струк­
тур на практике имеют более или
менее установившиеся названия:
№ 1 и 2 — многоканальные ИС, № 3.
и 4 — мультиплицированные ИС;
№ 7 и 8 — многоточечные ИС; № 15
и 16 — сканирующие, или разверты­
вающие ИС.
В последующих главах рассма­
триваются ИС, имеющие именно эти
структуры.
Сопоставим между собой струк­
туры последовательного (------), па­
раллельного (II), параллельно-после­
довательного
(— II —) действия,
а также
мультиплицированную
структуру ( ^ ) по количеству эле­
ментов S, времени измерения Г,
пропускной способности С и вероят­
ности безотказной работы Р (табл.
8-2). Через СкУ и К в табл. 8-2
А. Предельные количества основных
элементов измерительных ст рукт ур
П араллель- П осл едовател ь-
ная работа
пая работа
П
1 (со скани­
рующим
устройством)
П
1
п
1
Датчики Д
Устройства сравнения
С ..........................
Образцовые меры (ма­
газины или наборы)
М
. .
Устройства представ­
ления информации В
1 (с комму­
тационным
устройством)
Б . Основные варианты структур
11
Количество элементов
вариантов
D
С
1
п
2
3
4
п
11
п
5
6
11
1
7
8
1
9
11
10
11
12
13
14
15
16
м
11
11
1
п
1
1
В
п
1
п
1
п
1
п
1
и
1
п
1
п
1
п
1
обозначены соответственно скани­
рующие и коммутационные устрой­
ства.
При сопоставлении структур ИС
примем, что характеристики одно­
типных элементов в них одинаковы
и структуры отличаются одна от
другой количеством элементов и
функциональными связями между
ними, что все ИС предназначены
для измерения п величин, разме­
щенных в пространстве.
В табл. 8-2 приведены выраже­
ния для S, Т, С и Р с индексами,
относящимися к соответствующим
типам структур. Под min Смпп пониi
мается наименьшая из пропускных
а — пД-пС-пЬЛ-пВ\
Р ис. 8-4. Н ек отор ы е вари анты стр ук тур И С.
б — пД-пС-пМ-В\ в — пД-пС-пВ\
г —- пД-пС-М-В\ д — пД-С-М-пВ; е — пД-С-М-В;
ж — Д-С-М-пВ\ з - Д - С - М - В .
способностей элементов системы
(Д, М, С, Bf Ск У и К) , под т — по­
стоянная времени элементов.
Нужно отметить, что приведен­
ные в табл. 8-2 данные могут быть
использованы лишь для грубой
оценки характеристик структур ИС
и должны уточняться в зависимости
от типа и режима работы систем.
Так, при оценке вероятности безот­
казной работы системы нужно учи­
тывать, что выход из строя любого
из элементов в системе последова­
тельного действия приведет к выхо108
ду из строя всей системы. В то же
время в системе параллельного дей­
ствия отказ одного элемента при­
ведет только к неполноценной рабо­
те системы — отказу одного из п ка­
налов измерения. Время работы от­
дельных элементов в ИС различно­
го типа не может выбираться произ­
вольно, между их работой должна
быть определенная
взаимосвязь,
которая будет ясна из дальнейшего
материала.
Но и из приведенных данных
можно сделать некоторые выводы.
Характеристики основных вариантов структур
Характеристики
№
f
-струк­
туры
16 \
а
8
3
Тнп структуры
Количество
элементов
Структура последова­
тельного
действия—
структура сканирующих
систем
+ В + С кУ
Структура параллель­
ного действия — много­
канальная структура ;
+ в)
Структура параллельно­п
последовательного дей­
ствия— структура систем
со входным коммутато­
ром, многоточечная
структура
Быстродействие
Пропускная
способность
Н адеж ность
min Ct
i
РдРмРсРвРскУ
+ тД + т О г у )
ТД + ХЛ 1 + ТС + ХД
п min Ct
(РдРмРсРв)"
(Д + Ю + С + 11(ХД+ТЛ1+ТС+
+М +В
min Ct
i
(РдРк )пРсРмРв
nm m C t
(РдРсРв)пРм
Структура мультипли­ п ( Д-\-С-\-В ) +
цированной системы
+м
В частности, сопоставляя данные
основных структур, можно видеть,
•что наибольшее быстродействие
имеют системы со структурами па­
раллельного действия и мультипли­
цированная Наименьшее количест­
во элементов имеет структура по­
следовательного действия; по коли­
честву элементов приближается
sc ней структура параллельно-после­
довательного действия.
Трудоемкость изготовления си­
стем в первом приближении может
«быть оценена в соответствии с ре­
комендациями [Л. 8-6] через сум­
марный вес входящих в них элемен-
При анализе ИС, предназначен­
ных для использования с величина­
ми, изменяющимися во времени,
•очевидно, можно получить те же варианты
структур
(естественно,
с учетом специфики процессов изме­
рения временных процессов).
п (тд + тм+тс+
i
“Ь х Б ~ Ь т /<)
*
хд + 'м + хс + гв
Описанные
выше
варианты
структур могут быть распростране­
ны и на системы автоматического
контроля (ч. 3), в которых контро­
лируются значения нескольких па­
раметров, распределенных в прост­
ранстве. При этом основное отличие
заключается в том, что вместо
образцовых мер в системах автома­
тического контроля используются
описания норм.
При рассмотрении ИС для пря­
мых измерений в последующих гла­
вах используются описанные здесь
основные варианты структур. Счи­
таем необходимым сказать, что мы
не будем подробно касаться вопро­
сов построения адаптивных ИС, по­
скольку они затрагивались в § 5-4.
Прежде чем перейти к рассмо­
трению основных разновидностей
ИС для прямых измерений, остано­
вимся на методах и устройствах
индикации и регистрации измери­
тельной
информации,
имеющих
общее значение для ИС.
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ИНДИКАЦИЯ И РЕГИСТРАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
9-1. ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Индикация измерительной информации
предназначена для представления результа­
тов измерения человеку-оператору.
Регистрация измерительной информа­
ции связана с записью и долговременным
хранением результатов измерения, с исполь­
зованием ее человеком-оператором и (или)
устройствами обработки информации.
Индикация и регистрация могут вы­
полняться в непрерывном, дискретном, сим­
волическом (знаковом) видах.
Поскольку около 80% информации че­
ловек получает через зрительный анализа­
тор [Л. 9-2], основную роль играют методы
визуального представления информации.
В то же время известны исследования, про­
водимые в Институте проблем управления
АН СССР (Л. 9-3, 9-31] по комплексному
визуальному (включая изменение цвета),
звуковому (словесный текст) и тактильно­
му (осязательному) представлению инфор­
мации.
Индикация и регистрация в ИС связа­
ны с необходимостью представления боль­
ших объемов измерительной информации,
в которых измеряемые величины распреде­
лены ^в пространстве и (или) изменяются
во времени.,
При создании устройств индикации и
регистрации ИС должны учитываться пси­
хофизиологические возможности человека,
связанные ,с восприятием информации. Не­
которые из этих вопросов рассматриваются
в гл. .18 применительно к восприятию кон­
трольной информации.
В связи с потребностями обеспечения
работы вычислительных систем и ИС с опе­
ратором за последние годы проводились
обширные исследования и появилась до­
вольно многбчисленная литература но инди­
кации и регистрации как непрерывной, так
и цифровой информации [Л. 9-1—9-16]. По­
скольку системы представления информации
в ИС являются элементами обязательными
и в значительной степени определяющими
работоспособность ИС, целесообразно си­
стематизировать материалы, характеризую­
щие современное состояние систем пред­
ставления информации и некоторые тенден­
ции их развития.
9-2. ИНДИКАЦИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ
И ДИСКРЕТНЫХ ВЕЛИЧИН
Индикация (визуализация) значений
непрерывных и дискретных величин заклю­
чается в их преобразовании в линейные или
угловые перемещения, изменения площади
или других параметров, удобных для зри­
тельного восприятия. Типичными для индн-
кации одного значения измеряемых величин
являются линейные и угловые шкалы. Для
одновременного представления значений
относительно большого количества величин
в измерительных системах используются
малогабаритные измерительные и контроль­
но-измерительные приборы типа АСК (см.
гл. 20), комплексы линейных газоразрядных
индикаторов '[Л. 9-17, 9-18], матричные
средства индикации [Л. 9-17], представле­
ние с помощью электронно-лучевых трубок
[Л. 9-24] и др.
Инженерно-психофизиологические оцен­
ки групповых индикаторов ,[Л. 9-18, 9-19]
показывают, что они позволяют оператору
быстрее воспринимать информацию по
сравнению с представлением тех же значе­
ний с помощью индивидуальных шкал и
резко уменьшить размеры пультов и щитов,
операторов. Количество значений величин,,
представляемых на групповом индикаторе
и наилучшим образом воспринимаемых опе­
ратором, должно определяться для каждо­
го индикатора. На рис. 9-1 представлены
шкалы (Групповых индикаторов для прибо­
ров типа АСК (а), линейных газоразряд­
ных индикаторов (б), матричных индика­
торных устройств ( в ) и шкалы, получаемые
на экранах электронно-лучевых трубок
(г—е).
Групповые индикаторы позволяют про­
изводить совместную оценку состояния из­
меряемых величин. Организации систем
представления,
облегчающих
выявление
взаимосвязей между измеряемыми величи­
нами, посвящено большое количество иссле­
дований. Определенный интерес в этом
смысле представляют матричные индикато­
ры. В [Л. 9-17] предлагается использование
матричного индицирующего устройства для
отображения взаимосвязей между измеряе­
мыми параметрами. Положим, /г-элементное
множество величин {*ь х2, ..
*п} опи­
сывается системой линейных уравнений
* г = ф г ( * 1 , *2, • • •* * i - l , * 1 + 1, • • •, * п),
i—1,
.,
П.
Ограничиваясь линейными членами раз­
ложения Xi в ряд Тейлора, получаем:
п
A xt =
2
i =
1
. , п.
Ml
Mi
Системе уравнений будет соответство­
вать матрица полного оператора взаимодей
ствия
а" =
Н #12 • • . #щ
#21 1 . .
•
#fll
# Я 2
#2П
• . .1
а)
Рис. 9-1. Типы шкал групповых индикаторов.
а — шкалы групповых показывающих п р и бор ов типа АСК; б — г а зо р а зр я д н ы е индикаторы ;
ные индикаторы; г, д, е — и н дик ац и я на э к р а н а х Э Л Т .
Матрицу а" можно нормализовать, при­
ведя коэффициенты связи ац к единой шка
ле и умножая матрицу на нормализующий
вектор Ах* и Ах *2, . . Ах*п- Тогда текущее
состояние {*»}т 'будет характеризоваться
матрицей
Ax*i
а * 21Дх*1
Я 12ДХ*2 . . . а*,„А х*,
■Дх*2
. ., . л *2пАх*.
а*п пЛх*2
• • Ах*„
На элементы, матричного индикатора
подаются сигналы, пропорцональные соот­
ветствующим значениям a*i]Ax*j и Axj (.по
главной диагонали матрицы) Таким обра­
зом, отклонения измеряемых параметров от
нормального значения отображаются ярко­
стью свечения элементов главной диагона­
ли, а яркость свечения внедиагональных
элементов позволяет оценить вклад соответ­
ствующих величин назначения отклонивших­
ся величин. Был изготовлен комплекс ма­
тричного индицирующего устройства с чис­
лом элементов до ТО3 и восьмиквантовой
яркостной шкалой.
Разрабатываются системы индикации
с ^символическим представлением реаль­
ной обстановки, отражающим, например
положение движущегося аппарата [Л. 9-7]
Представляет интерес техника трехмер­
ной индикации, позволяющая воспроизво­
дить доведение измеряемых величин в про­
странстве или наглядно представить взаи­
мосвязь нескольких величин (Л. 9-7, 9-8,
9-15].
в — м а тр и ч ­
Для построения объемных изображений попользуются:
•вращающееся зеркало с освещением
(мгновенным) определенных точек;
прочерчивание и окраска следа в объ­
емном прозрачном составе (например, пу­
зырьковая камера для визуализации траек­
тории движения частиц);
создание объемного эффекта с по­
мощью двух электронно-лучевых трубок, на
которых формируется изображение для
каждого глаза;
голографические изображения, заклю­
чающиеся в фиксации с помощью интерфе­
ренции фаз и амплитуд отраженных от
объекта световых волн путем сопоставления
с когерентной световрй волной.
Несколько слов относительно гологра­
фических изображений. Если с помощью
луча лазера (рис. 9-2) осветить какой-либо
объект, то можно зафиксировать на фото­
материале интерференционную картину (го­
лограмму ГМ), образуемую между отра­
женным от объекта излучением и лазерным
лучом (от зеркала 3).
Воспроизведение объемного изображе­
ния объекта может быть .получено при
освещении голограммы ГМ с помощью луча
того же лазера (рис. 9-3).
Объемное изображение несуществующе­
го объекта (отражающего, например, взаи­
мосвязь нескольких величин) может быть
синтезировано с помощью расчета голо­
грамм, фиксации полученной голограммы на
фотопленку и воспроизведения при освеще-
Рис. 9-4. Индикация знаков с помощью све­
товодов.
Рис. 9-2. Схема получения голограмм
объекта.
Глаз
Рис. 9-3. Схема воспроизведения объемных
изображений с помощью голограмм.
нии голограммы лучом лазера. Специали­
стами фирмы IBM синтезирована голограм­
ма с 6-104 элементами для изображения
равностороннего тетраэдра.
9-3. ИНДИКАЦИЯ ЗНАКОВОЙ
ИНФОРМАЦИИ
Известны два основных способа инди­
кации знаковой информации. Первый из них
связан с визуализацией заранее сформиро­
ванных знаков, второй — с синтезом знаков
в процессе индикации.
К устройствам с заранее сформирован­
ными знаками относятся оптические проек­
ционные устройства, световодные индика­
торы, газоразрядные индикаторы, знаковые
электронно-лучевые трубки типа характрон,
содержащие матрицу с трафаретами зна­
ков, декатроны и другие, в меньшей степени
используемые в ИС, устройства [Л. 9-4,
9-6, 9-7].
К устройствам, в которых производятся
синтез и последующая визуализация зна­
ков, относятся люминесцентные и полупро­
водниковые многоэлементные индикаторы,
электронно-лучевые
трубки
и экраны
с
устройствами формирования знаков
[Л. 9-11].
Индицирующие устройства с заранее
сформированными знаками широко исполь­
зуются в ИИТ и описаны в многочисленной
литературе. Следует остановиться на свето­
водных индикаторах, пока мало' используе­
мых в ИИТ. В световодных знаковых инди­
каторах контур индицируемого знака обра­
зуется из свободных торцов тонких свето­
водов, сходящихся в один жгут (рис. 9-4).
Торцы объединенных в жгут световодов
освещаются управляемым полупроводнико­
вым точечным источником света. Такие ин­
дикаторы могут быть выполнены различны­
ми по размерам >(от миллиметра до не­
скольких сантиметров), не требуют большой
мощности управления, и можно ожидать,
что уже в ближайшее время они найдут
довольно широкое применение.
Синтезирующие знаковые индикаторы
более сложны (по управлению) по сравне­
нию с первым типом индикаторов, но они
более универсальны, позволяют уменьшить
площадь индикации, а при применении элек­
тронно-лучевых трубок позволяют обеспе­
чить большое быстродействие, необходимое
для- скоростной регистрации
знаковой
информации
Простыми синтезирующими устройства­
ми знаковой индикации являются электролюминесцентные индикаторы (рис. 9-5),
в которых в зависимости от состава люми­
нофора и частоты питающего напряжения
может быть получен довольно широкий
спектр светового излучения. Люминесцент­
ные элементы рассчитаны на различные на-
Рис. 9-5. Многоэлементные электролюмпне.сцентные индикаторы.
Рис. 9-6. Индикация знаков на электронно-лучевой трубке с помощью матричного запо­
минающего устройства.
пряжения (питания (от 20 до 220 В), имею­
щие частоту от 50 Гц до 5 кГц. В качестве
источников питания могут использоваться
маломощные блокинг-генераторы, а в ка­
честве ключей — насыщающиеся тринформа­
торы [4- 9-22]. Быстродействие таких инди­
каторов определяется примерно одним-дву­
мя периодами напряжения питания. Люми­
несцентные элементы довольно широко
применяются при изготовлении мнемосхем
и пультов [Л. 9-7, 9-8].
Для знаковой
индикации широко
используются и обычные электронно-луче­
вые и телевизионные трубки, а также спе­
циально изготовленные трубки с боль­
шой разрешающей способностью (порядка
0,1 мм), имеющие магнитную систему
управления. Устройства для синтеза знаков
на экране таких трубок подробно рассмо­
трены, например, в [Л. 9-11]. Здесь целесо­
образно остановиться на способах формиро­
вания знаков.
Знаки на экране трубки могут воспро­
изводиться по сигналам из устройств па­
мяти, содержащих аналоговые -(в виде, по­
ложим, шаблонов) или цифровые (коорди­
наты характерных участков знаков) описа­
ния зцаков.
При использовании шаблонов применя­
ются обычно фотоследящие системы (с при­
менением двух трубок). К разновидности
шаблонов могут быть отнесены описания
знаков, заданные в матричном (мозаичном)
виде ((рис. 9-6). В матричное запоминающее
устройство на ферритах с прямоугольной
петлей вводятся с помощью дешифратора
записи Дш3 сигналы, изменяющие состоя­
ние соответствующих ферритов. После вве­
дения информации о знаке, который необ­
ходимо воспроизвести на экране электрон­
но-лучевой трубки, производятся ее поэле­
ментное считывание и управление положе­
нием луча трубки на экране. Это выпол­
няется с помощью счетчиков Счх и Счу>
дешифраторов Дшх и Д шу и цифро-анало­
говых преобразователей, шины считывания
и усилителя модуляции света на экране.
Во 1ВНИИЭ1П было создано мозаичное
цифровое регистрирующее устройство с мат­
ричным запоминающим набором, состоящим
из 48 ферритов ВТ-5 (3X2X1 мм) на элек­
тронно-лучевой трубке типа 13Л037А. Бы-
Рис. 9-7. Формирование знаков с помощью генераторов периодических колебаний.
■а— кадряжения на отклоняющих пластинах ЭЛТ при формировании знака «О»; б — то же для зна­
ка «1»; в — то же для знака «2>.
стродействие. устройства порядка 4 000 и
в 000 знаков в секунду. Размер цифр на
экране 8X4 мм. Строка содержит 16 зна­
ков, расстояние между строками 3 мм. Ско­
рость движения осциллографической бумаги
2,5 м/с.
Любой знак может быть представлен
либо в виде функций x(t) и y ( t ), либо в виде
участков таких функций. Для воспроизведе­
ния на экране электронно-лучевой трубки не­
обходимы линейные или нелинейные функцио­
нальные преобразователи д;(/) и y(t) в про­
порциональные им напряжения. В качестве
функциональных преобразователей могут
использоваться генераторы периодических
колебаний (рис. 9-7), генераторы ступенча
тых или линейно-изменяющихся напряжений
ч(рис. 9-8) и т. п.
Генераторы периодических колебаний
позволяют использовать метод гармониче­
ского синтеза знаков (фигур Лиссажу).
Структурная схема синтезирующих уст­
ройств такого типа представлена на
рис. 9-9. С помощью блоков формирования
Фх и Фу, а также блоков промежуточного
преобразования Пх и Пу производится син­
хронная выборка х и у в заранее установ­
ленной последовательности. Во ВНИИЭП
[Л. 9-26] разработано и передано в произ­
водство цифровое регистрирующее устрой­
ство типа Н705, основанное на принципе
формирования знаков из весьми прямых ли­
ний способом программного управления.
Устройство позволяет синтезировать деся­
тичные знаки со скоростью до 10 000 знаков
в секунду. Размер символов на носителе
*)
Рис. 9-8. Формирование знака «5» с помощью, генератора ступенчато-изменяющихся напряжений.
а — вид знака на экране ЭЛТ; б — форма отклоняющих напряжений их и ауА
114
Рис. 9-9. Структурная схема устройства,
синтезирующего знаки.
3X2 мм, регистрируется '16-разрядный де­
сятичный код.
Для электростатической записи исполь­
зуются специальные трубки с металлово­
локонным экраном, обладающие высокой
разрешающей способностью (до 0,01 мм) и
повышенной отдачей тока с каждого эле­
мента экрана.
Нужно отметить, что знаковые индика­
торы на электронно-лучевых трубках, осо­
бенно при мозаичном построении, имеют
относительно невысокую светоотдачу с экра­
на трубки. Цифровой метод запоминания
элементов описания знаков отличается боль­
шей простотой и универсальностью. Наибо­
лее сложны устройства с гармоническим
синтезом знаков.
Можно ожидать появления в ближай­
шее время плоских экранов, которые могут
позволить существенно уменьшить габариты
и расширить область применения индици­
рующих устройств в ИС.
В этом отношении особый интерес пред­
ставляют исследования, связанные с созда­
нием плоской электронно-лучевой трубки,
а также устройств визуального представле­
ния информации, основанных на примене­
нии жидких кристаллов [Л. 9-28—9-30].
Основным используемым свойством жидких
кристаллов—прозрачных органических жид8*
костей — является изменение их оптических
свойств (прозрачности) под воздействием
электрических напряжений, тепловых пото­
ков, давлений и механических сил. Имеются,
разработки жидких кристаллов, обладаю­
щих запоминающими свойствами. Так как
индикаторы на жидких кристаллах рабо­
тают по принципу отражения света, то чем
ярче внешнее освещение, тем лучше видны
индицируемые знаки. Основные недостатки
индикаторов на жидких кристаллах связаны
с тем, что для перехода из непрозрачногок прозрачному состоянию требуется около
сотни миллисекунд, а срок службы при ра­
боте на переменном токе составляет около
10 000 ч.
Учитывая, что аналоговый и цифровой
методы представления измерительной ин­
формации имеют свои преимущества и не­
достатки, можно предположить, что в ИС
все большее, применение будет иметь сме­
шанное аналого-цифровое представление
информации. Одним из примеров смешанно­
го представления измерительной информа­
ции является система индикации и реги­
страции, разработанная в Новосибирском
электротехническом институте (рис. 9-10).
Аналоговая форма представления информа­
ции позволяет в компактном виде отобра­
зить относительно большое количество ре­
зультатов измерения (64 и более); цифро­
вое представление информации использует­
ся только для измеряемых величин, значе­
ние которых необходимо знать в процессе
измерения с повышенной точностью. В со­
зданной аппаратуре индицируются цифро­
вые значения (три десятичных разряда)
только величины х, имеющей экстремальное
значение, и ее координата N (номер точки).
Подобный способ индикации и регистрации
позволяет существенно облегчить обзор опе­
ратором веех данных и уменьшить количе­
ство документов.
В вычислительной технике находят при­
менение устройства визуального вывода,
объединенные ‘с устройствами ввода данных
в ВМ и управления вводом и выводом.
Рис. 9-10. Совместное пред­
ставление аналоговой и циф­
ровой информации.
115
Можно предполагать, что в ИС в бли­
жайшее время молвятся устройства, позво­
ляющие не только индицировать измери­
тельную информацию, но и вмешиваться
з ход сбора и предварительной обработки
информации, уточнять полученные данные,
изменять программу работы ИС и т. д.
9-4. РЕГИСТРАЦИЯ
•При регистрации значений непрерывных
и дискретных сигналов в большинстве елу
чаев используются свойства изменения со­
стояния носителя информации под влиянием
внешних механических, электромагнитных,
тепловых и других воздействий.
Основные характеристики некоторых ме­
тодов регистрации, применяемых в ИИТ,
приведены в табл 9-1 [Л. 9-4].
В ИИТ большое применение помимо
разнообразных самописцев имеют светолу­
чевые и электронно-лучевые осциллографы
[Л. 9-20] с регистрацией на фоточузстви
тельных материалах. Выпускаемые отечест­
венной промышленностью
светолучевые
осциллографы типов Н700, Н004, Н008М,
Н910М, НО 17 позволяют регистрировать
Технические
Таблица 9-1
характеристики методов
регистрации
Метод~регистра цни
ГС
Частотный
диапазон
записываемых
сигналов
10— 100
0— 100 Гц
0
Д о 10 кГЦ
0 ,4 — Ю
Д о 100 Гц
-0
Д о Ю Гц
-0
Д о 100 Гц
0 -1 0
Д о 1 М Гц
0
> 1 М Гц
0
Д о 1 М Гц
Усилие,
А. Нанесение слоя
вещества
С помощью карандаша,
чернил, копирозальнон б у ­
маги и т. п.
Струйным способом
Б. Снятие слоя вещества
Резцом (алм аз, металл)
со стекла
фотопленки и
специальных покрытий
Плавлением
В. Изменение состояния
вещества
Термическим
сп осою м
(в том числе с помощью
луча лазера)
Электромагнитным спосо­
бом (пленка с ферромагнит­
ным покрытием, стальная
про олока или лента)
^ Фотографическим
Электростатическим
соЗом (снятие заряда
верхности диэлектрика)
с погрешностью до 2% от 31 до 30 величин, имеющих частотный диапазон от 0 до
5 000 Гц. Чувствительность осциллографов
по току от 3 300 до 6-104 мм/1(мА*м). Име­
ются светолучевые осциллографы, позво­
ляющие регистрировать напряжения с ча­
стотой до 30 кГц.
Электронно-лучевые осциллографы М023
с трубкой f6/IO-2A позволяют регистриро­
вать ,с помощью фотозаписи 9 аналоговых
величин в частотном диапазоне до 60 кГц,
их чувствительности по току от 2 до 120 мм/А
и по напряжению 0,12 мм/В. К осциллогра­
фам выпускаются многоканальные усилите­
ли '(например, Ф720 с коэффициентом уси­
ления 2500).
Известны многочисленные попытки улуч­
шения фотоматериалов, изменения источни­
ков света светолучевых осциллографов.
Нашей промышленностью выпускаются све­
толучевые осциллографы типов Н 1ГБ, К 115,
НО 17 с ультрафиолетовой записью на бумагу
типа УФ, не требующей химического про­
явления (Л. 9-25]. Создан портативный фотоцифрограф [Л. 9-22], предназначенный для
регистрации цифровых данных на фотобу­
магу с помощью люминесцентных эле­
ментов.
Начинают применяться электронно-лу
чевые осциллографы с электростатической
записью [Л. 9-9], обладающей по сравнению
с фотографической записью некоторыми
преимуществами, связанными с упрощением
условий хранения и способов «проявления»
записанных кривых.
Весьма широкое применение в И С имеет
электромагнитная регистрация, часто ис­
пользуемая для оперативной памяти. Для
регистрации непрерывных величин в каче­
стве носителей информации в этом случае
используются пленки с ферромагнитным
покрытием (ширина 3,8, 6,35, ‘12,7, 25,4 и до
125 мм, толщина покрытия примерно
0,02 мм, диаметр ферромагнитных зерен —
до 0,3 мкм, коэрцитивная сила — до
250 А/м), магнитные барабаны, диски, сталь­
ная лента (толщиной до 0,05 мм) и про­
волока. Последние позволяют резко повы­
сить плотность регистрации по сравнению
с 'пленками с ферромагнитным покрытием.
Плотность записи на магнитной ленте
(МЛ) и барабане (МБ) примерно 3—10 импульсое/мм, на стальной ленте и проволоке
30—100 импульсов/мм. Разрабатываются
способы очень плотной записи с помощью
лазерного луча (доведение температуры
участков до точки Кюри).
Использование одновременно несколь­
ких головок записи, расположенных парал­
лельно и последовательно, позволяет реги­
стрировать большое количество данных. Во
Львовском политехническом институте под
руководством проф. Б. И. Швецкого созда­
ны магнитные регистраторы, позволяющие
записывать данные более 100 процессов.
Память на МЛ может достигать
108 бит, на МБ — 106 бит. Скорость ввода
цифровой информации с МЛ достигает
300 тыс. слов в секунду. При записи непре­
рывных процессов на МЛ или МБ обычно
используются частотно-модулированные сиг­
нал ы; амп лчiтуд но-м одул проза иные с-иг-налы
ввиду влияния 'неравномерности покрытия,
влияния «зерен» ферромагнитного материа-
Рис. 9-11. Режимы работы
при магнитной записи.
ла и неравномерности движения пленки при
записи и воспроизведении данных могут,
если не принимать специальных мер, суще­
ственно искажаться. Для записи использу­
ется в большинстве случаев размагниченная
пленка (на магнитную головку при записи
подается переменное размагничивающее
напряжение), а для выбора рабочего диапа­
зона записи на линейных участках кривой
намагничивания подается смещающее -на­
пряжение '(рис. 9-11, режим I). Использо­
вание режима II нежелательно, так как вы­
сок уровень шумов при нулевых значениях
сигнала из-за намагниченного состояния
пленки.
Имеется возможность осуществить ви­
зуализацию магнитной записи путем обра­
ботки ее с помощью магнитного порошка
[Л
9 -1 4 ].
Электрографические,
термоэлектриче­
ские,
электрохимические
регистраторы
[Л .
9 -4
9 -1 4 , 9 -2 1 ] имеют относительно
невысокое быстродействие и находят при­
менение в специализированных ИС. На вы­
ходе ИС весьма часто используются меха­
нические перфораторы Цифровые данные,
записанные на Перфокарты и перфоленты,
удобно вводить в ЦВМ для последующей
обработки.
Перфоленты в большинстве случаев
изготовляются из 'бумаги повышенной проч­
ности, на которой пробиваются круглые
отверстия на 5—в дорожках. Длина перфо­
ленты обычно равна 180—200 м, скорость
перфорации около 104 бит/с. Ленты соот­
ветствуют ГОСТ 139'1-S'l, а 'размещение
отверстий и их размеры — ГОСТ 10860-64,
коды алфавитно-цифровые для перфокарт и
перфолент регламентируются ГОСТ 10859-64.
Технические
характеристики
ПЛ-150,
ПЛ-80/8А, ПЛ-20: 5—8 дорожек, скорость
перфорации — 150, 80 и 200 строк/с, шаг
перфорации 2,5 мм {Л. 9-23]. Скорость вво­
да в ВМ данных с ПЛ=— от 200 до
1000 строк в секунду.
.Перфокарты содержат 80 колонок, раз­
деленных на ’12 строк. Поле первых Т5 ко­
лонок используется для нанесения служеб­
ных знаков, т. е. информации, которая
в ЦВМ не вводится. На 18-й колонке рас­
полагается основной маркер— признак чис­
ла, на 80-й колонке — вспомогательный мар­
кер. Скорость считывания современных
устройств ВУ-100, ВУ-300 и ВУ-700 состав­
ляет соответственно 100, 300 и 700 карт
в минуту. При большом количестве данных
выгоднее для регистрации использовать
перфоленту.
Для регистрации цифровых данных на
выходе ИС широко используются цифропе­
чатающие машинки со скоростью печати до
100 ударов в секунду, телеграфные аппара­
ты и др.
Помимо^ цифровых регистраторов на
выходе ИС *(как и ЦВМ) используются двух­
координатные графопостроители [Л. 9-27].
Основными методами работы двухкоорди­
натных построителей являются:
1. Преобразование кода в напряжение
по осям X и Y и регистрация напряжения
с помощью автоматических компенсаторов.
На этом методе основаны выпускаемые
промышленностью графопостроители типа
ПДС-021 '(скорость регистрации 250 мм/с,
погрешность 0,5%, размер рабочего поля
350X250 мм), ДРП-3 (время пробега всей
шкалы ±1100 В — 0,5 с, погрешность
±0,Т5%, размер рабочего поля 800 X
Х800 мм). Структурная схема таких при­
боров представлена на рис. 9-1‘2. На этой
схеме ССХ и ССУ— следящие системы,
ВУ — вакуумное устройство для закрепле­
ния бумаги. На рис. 9-12 не показано
устройство для интерполяции Ux и Uv
[Л. 9-27].
2. Цифровое слежение за значением ко­
да (рис. 9-18). Работает цифровая следя­
щая система следующим образом: на вы­
ходы реверсивного счетчика поступают уни­
тарный (единичный) командный код и вы-
-ЪУ
Рис.
9-12. Структурная схема
построителей типа ПДС.
графо­
4.
Развертывающая регистрация при
одновременном движении регистрирующего
элемента (или гребенки элементов) и носи­
теля. Этот метод позволяет создавать бы­
стродействующие построители нескольких
графиков на одном носителе. Их недостатки
связаны с тем, что регистрация осуществ­
ляется на движущемся носителе или реги­
стрирующем органе, и поэтому регистри­
руется часто не точка, а короткий штрих.
С использованием решетчатой гребенки
регистрирующих элементов можно достиг­
нуть относительно высоких скоростей реги­
страции (до 50 строк в секунду) при по­
грешности примерно 0,5% и размере по оси
X около ± 100 мм.
В ряде случаев в качестве разверты­
вающего устройства (зачастую для визу­
ального наблюдения) используют электрон­
но-лучевую трубку.
Анализ результатов преобразования ко­
да в перемещение ставит перед проектиров­
Рис. 9-13. Цифровая следящая си­
щиками средств ИИТ (при необходимости
стема.
выдачи результатов измерения в аналого­
вой и цифровой форме) задачу сопоставле­
ния в каждой конкретной ситуации вариан­
читающиеся из него импульсы от датчика
тов: измерение и регистрация результатов
обратной связи ДОС, количество которых
в аналоговой и одновременно в цифровой
пропорционально линейному перемещению;
форме или измерение в цифровой форме
образованный в счетчике код преобразуется
с последующей регистрацией цифровых дан­
в напряжение, приводящее в движение ре­
ных, преобразованием кода в перемещение
гистрирующий элемент.
3.
Суммирование импульсов с помощью и регистрацией аналоговых данных.
Исследования, связанные с созданием
шаговых двигателей. В [Л. 9-27] описан
новых типов регистрирующих устройств и
автоматический построитель графиков с ша­
изысканием новых методов и принципов ре­
говым двигателем, имеющий скорость пере­
гистрации, ведутся довольно широким фрон­
мещения карандаша 4 м/с, дискретность
том. Можно предполагать, что в ближай­
около 0,1 мм/и-мпульс, погрешность ±0,2 мм
шее время регистрирующие устройства до­
на формате 800x800 мм. В построителе
стигнут высокой степени совершенства.
используется линейный интерполятор
ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО
ДЕЙСТВИЯ — МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
СИСТЕМЫ
Многоканальные системы (рис.
10-1) объединяются в один из са­
мых распространенных классов из­
мерительных систем, применяемых
во всех отраслях народного хозяй­
ства. По этому принципу построено
большинство существующих изме­
рительных комплексов энергетичес­
ких (в том числе атомных электро
станций), металлургических и мно
гих других промышленных пред
приятий. На подвижных объектах
(самолетах, ракетах, кораблях, тан­
ках и т. п ) измерительные комплек118
сы в подавляющем большинстве вы­
полнены также по многоканальной
структуре. Основные причины столь
широкого распространения многока­
нальных ИС заключаются во-перВых, в возможности использования
стандартных, относительно простых
измерительных приборов; во-вто­
рых, в наиболее высокой схемной
надежности таких систем; в-третьих,
в возможности получения наиболь­
шего быстродействия при одновре­
менном получении результатов изме­
рения наконец, в-четвертых, в воз
r>)
Рис. 10-1. Основные Структурные схемы многоканальных ИС.
а — стр у к тур а
систем
п а р а л л ел ь н о го
дей ств и я ; б — то же, но с
м ации от к ан ал ов и зм ер ен и я .
можности индивидуального подбора
средств измерения к измеряемым
величинам.
Наибольший недостаток' таких
систем часто связан с повышенной
общей сложностью и стоимостью
(по сравнению с другими система
ми).
Структурная схема многоканаль­
ных измерительных систем (рис.
10-2) в общем случае содержит
в каждом канале измерения датчи­
ки, аналоговые показывающие и ре­
п осл ед о в а т ел ьн ы м
сбором
инфор­
гистрирующие приборы, аналогоцифровые преобразователи и циф­
ровые индикаторы. Если измери­
тельную информацию необходимо
ввести в ВМ или зарегистрировать
в цифровом виде, то кодоимпульс­
ные сигналы (после АЦП) обычно
коммутируются. Коммутация может
при этом производиться с большой
скоростью. Возможны варианты си­
стем, в которых каналы измерения
могут выглядеть по-разному (рис.
10-3). Так, например, могут исполь-
Рис. 10-2. Структурная схема ИС с аналоговым и цифровым выходами.
а — аналоговый; б — ц и ф р ов ой ; в — ан ал огов ы й и ц и ф р ов ой ; г — аналоговый
и цифровой с п р ом еж ут оч н ы м п р е о б р а зо в а н и е м измеряемой величины в ли­
нейное или у г л о в о е п е р е м е щ ен и е и п р е о б р а зо в а н и е м «перемещение — код»;
д — аналоговый и ц и ф р ов ой с п р е о б р а зо в а н и я м и «код—напряжение» и «напря­
ж е н и е — перемещение»
зоваться аналоговые приборы с пре­
образователем перемещения в код
(рис. 10-3,г) или, наоборот, цифро­
вые приборы с преобразователем
кода в перемещение (могут быть
приборы с двойным преобразовани­
ем: кода в унифицированное напря­
жение и напряжение в перемеще
ние) (рис. 10-3,д).
В многоканальных ИС по суще­
ству отсутствуют проблемы «очере­
дей», выбора последовательности
работы каналов и др. Поэтому
с точки зрения системотехники та­
кие системы являются самыми про­
стыми.
Определенные трудности оста­
ются в организации рационального
ГЛАВА
о)
представления оператору измери­
тельной информации (см. гл. 9, 20).
В настоящее время отечественная
промышленность выпускает малога­
баритные аналоговые и цифровые
измерительные приборы в щитовом
исполнении,
которые позволяют
многоканальным системам конкури­
ровать по стоимости с многоточеч­
ными измерительными системами.
Такая конкуренция особенно остра,
когда необходимо измерять величи­
ны, различающиеся по физической
природе и диапазонам измерения.
Более подробно системы параллель­
ного действия
рассматриваются
в системах автоматического кон­
троля (см. гл. 20).
ОДИННАДЦАТАЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО
ДЕЙСТВИЯ — СКАНИРУЮЩИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
11-1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ
В измерительных системах по­
следовательного действия операции
получения информации выполняют­
ся последовательно во времени
120
с помощью одного канала измере­
ния.
Если измеряемая величина рас­
пределена в пространстве или собст­
венно координаты некоторой точки
или области пространства являются
объектом измерения, то восприятие
информации в таких системах вы­
полняется с помощью одного, так
называемого сканирующего, датчи­
ка. Такие ИС носят название скани­
рующих ИС. Этот тип ИС входит
в более общий класс информацион­
ных систем, называемых с к а н и
р у ю щ и м и системами [Л. 11-1,
11-2], предназначенных для вос­
произведения
пространственных
образов на расстоянии (телевиде­
ние) для разнообразных преобразо­
ваний пространственных образов
с целью, например, выделения кон­
туров, характерных точек и т. п.
Сканирующие ИС могут класси
фицироваться по количеству изме­
ряемых величин. Сканирующие ИС
могут выполнять операции измере­
ния места расположения некоторой
точки (рис. 11-1) на прямой линии
L, точки или кривой на плоскости
или в пространстве В качестве си­
стемы координат, конечно, могут
быть
использованы
различные,
в том числе нелинейные, системы
(для выявления основных законо­
мерностей сканирующих ИС остано­
вимся на прямоугольной системе ко­
ординат) .
При исследовании параметричес­
ких полей (температур, давлений,
механических напряжений и пр.)
сканирующие ИС должны дать ко­
личественную оценку значений этих
параметров в заданной системе ко­
ординат.
Однако -не во всех случаях необ­
ходимо знать точное количественное
значение величин во многих точках
пространства. Иногда достаточным
оказывается найти экстремальное
значение исследуемого параметра и
измерить его или найти места рав­
ных значений исследуемого пара­
метра (см. § 11-4).
В сканирующих ИС* с целью
улучшения некоторых характерис­
тик систем (например, быстродей­
ствия) довольно часто производится
преобразование области сканирова­
ния и исследуемого параметра
в промежуточную физическую вели­
чину (например, в электрический
Рис. 11-1. Измерение месторасположения
точки на интервале [О, L].
Д I — р а зр еш а ю щ а я сп особн ость датчика; I — п е ­
р ем ещ ен и е да тч и к а ; а — угол сканир ования; h —
р асст оя н и е от датчи к а Дч д о линии н а б л ю д ен и я .
В ар и ан ты и сп оль зов ан ия датчиков: Д\ — и зм е р е ­
ние I и Д /; Дч — и зм ер ен и е а , /, Д /, h.
потенциал). При таком промежу­
точном преобразовании могут вы­
полняться и некоторые операции
обработки (например, преобразова­
ние Фурье, дифференцирование и
т. д.).
Очень важной является возмож­
ность визуализации таких видов из­
лучений, как, например, тепловые,
высокочастотные электромагнитные,
рентгеновские. Это позволяет не
только наглядно представлять рас­
пределение таких параметров в про­
странстве, но и использовать мето­
ды количественной оценки визуаль­
ной информации. При промежу­
точных преобразованиях часто ока­
зывается полезным для снижения
погрешностей измерения произво­
дить одновременное преобразование
известной, образцовой величины.
Сканирующие датчики могут быть
выполнены таким образом, что они
при выполнении операций восприя­
тия информации входят в непосред­
ственный контакт с исследуемым
параметром или областью сканиро­
вания либо воспринимают измеряе­
мые величины при отсутствии непо­
средственного контакта («бескои-
сификации сканирующих ИС (табл.
1 1 - 1 ).
Следует заметить, что собствен­
но операции измерения в сканирую­
щих ИС могут выполняться различ­
ными методами. Среди них наиболь­
шее распространение в сканирую­
щих ИС имеет, пожалуй, метод раз­
вертывающего
уравновешивания
(или динамической компенсации)
[Л. 11-3]
Помимо минимального количест­
ва элементов (по сравнению с дру­
гими ИС) сканирующие ИС имеют
преимущество,
заключающееся
в том, что канал измерения исполь­
зуется многократно. Поэтому при
определенной стабильности харак­
теристик этого канала можно с по­
вышенной точностью производить от­
носительные измерения значений
параметра, распределенного в про­
странстве.
Наиболее серьезный недостаток
систем последовательного дейст­
вия — суммирование
интервалов,
времени последовательно выполняе­
мых операций измерения по всем
значениям измеряемых величин —
при применении современных быст­
родействующих средств восприятия
информации (телевизионные дат­
чики, оптико-электронные преобра­
зователи и т. п.) не проявляется, и
во многих случаях сканирующие ИС
обладают не меньшим быстродейст­
вием, чем ИС параллельного прин­
ципа действия.
тактные» датчики). Примерами
«контактных» датчиков могут слу­
жить термопары или термометры
сопротивлений, «бесконтактных» —
радиационные пирометры.
Сканирование путем перемеще­
ния «контактных» датчиков вдоль
объекта измерения
на рис. 11-1
широко используется при геофизи­
ческих исследованиях, в океаноло­
гических исследованиях, при изуче­
нии
космического
пространства
и т. п.
Дистанционное
сканирование
с помощью «бесконтактных» датчи­
ков Д2 с постоянным полем их вос­
приятия применяется в телевизион­
ных методах измерения геометри
ческих размеров, в радиолокацион­
ных системах измерения дальности,
в ультразвуковой дефектоскопии,
измерении параметров тепловых по­
лей по инфракрасному излучению,
при использовании лазеров для
оценки параметров высокотемпера­
турной плазмы
(рассеяние луча
при этом пропорционально темпера­
туре, а изменение интенсивности —
плотности плазмы) и т. п.
Траектория сканирующих дви­
жений может быть заранее жестко
запрограммирована (пассивное ска­
нирование) либо может изменяться
в зависимости от полученной в про­
цессе сканирования
информации
(активное сканирование).
Рассмотренные признаки класси­
фикации позволяют прийти к клас­
Таблица
11-1
Классификация сканирующих ИС
П о д к л а ссы
Классификационный признак
^2
{/,. *}; {/,. /.};
{/,, /2> X} II др.
Измерение экстремальных значе­
Характер операций измерения
Измерение во всех точ­
ний, определение эквипотенциаль­
ках
ных линий
„Бесконтактного“ действия
Тип сканирующего датчика
„Контактного** действия
Без преобразования
Промежуточное преобразова­
С преобразованием
ние сканируемой области
Вид сканирующих движений
Активный
Пассивный
Количество измеряемых ве­
личин
1
(0
Из обширного материала по ска­
нирующим ИС [Л. 11-1 — 11-21] оста­
новим свое внимание на принципах
действия сканирующих систем: пред
назначенных для расшифровки гра­
фических изображений; предназиа
чениых для измерения перемещений
конструкций в пространстве, изме­
ряющих распределение темпера­
тур.
Выбор этих типов систем опре­
деляется тем, что они, во-первых,
встречаются весьма широко, а вовторых, они охватывают основные
разновидности ИС, осуществляю­
щих сканирование для случаев, по­
казанных на рис. 11-1.
11-2. СКАНИРУЮЩИЕ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
РАСШИФРОВКИ ГРАФИЧЕСКИХ
ИЗОБРАЖЕНИЙ
назначенные для расшифровки опре­
деленных групп записи [Л. 11-7—
11-11], работающие автоматически
с высокой производительностью при
минимальном участии оператора.
В дальнейшем остановимся на
принципах построения автоматичес­
ких сканирующих ИС расшифровки
графических изображений.
Графическая запись измеряемых
величин на плоскости может быть
в виде
однозначных
функций
(в большинстве случаев — функций
времени) X i = x(t) и неоднозначных
функций двух измеряемых величин
z=<p(х, .у) (рис. 11-2). При записи
нескольких измеряемых величин на
одном документе они могут не пере­
секаться (рис. 11-3,а) и пересекать­
ся (рис. 11-3,6).
Графическая запись характери­
зуется преимущественно яркостью
и цветовым тоном. Обычно яркость
в точке сама по себе не является
информативным признаком. Значе­
ние ее должно быть достаточным
для того, чтобы положение кривой
различалось с помощью восприни
мающего элемента на уровне шу
мов, образованных окружающим
запись фоном. Цветовой тон записи
определяет спектральные характе­
ристики воспринимающего элемен­
та. Иногда используется маркиров­
ка многоканальных записей с по­
мощью их различного цветового
тона.
Минимальная толщина кривой,
которая может ’"быть обнаружена,
определяется разрешающей способ­
ностью воспринимающего элемента.
При автоматической расшифров­
ке применяются четкие изображе-
В настоящее время огромное ко
личество графических (аналоговых)
зависимостей получается и докумен­
тируется с помощью разнообразной
автоматической регистрирующей ап
ратуры. В медицине, геофизике, ме­
теорологии, при промышленных ис­
пытаниях, вообще во многих отрас­
лях народного хозяйства и в научных
исследованиях затрачивается боль­
шое время на расшифровку анало­
говых графических изображений,
т. е. на измерение параметров
графиков и выдачу результатов
■измерения
в
цифровом
виде
оператору или в вычислительную
машину Для повышения произво­
дительности труда при расшифров­
ке графиков разработаны как спе­
циализированные, так и серийно
выпускаемые
промышлен­
ностью полуавтоматические
расшнфровочные устройства
[Л. 11-4—11-6]. В полуавто­
матических устройствах ос­
новную операцию опознания
кривой на общем поле запи­
*)
си выполняет человек-опера­
Рис. И-'2. Измеряемые величины при расшифровке
тор. В последние годы раз­
графических записей.
работаны сканирующие раси зм ер я ем а я величина — ф ун к ц и я вр ем ени; б — и зм е р я е ­
шифровочные системы, пред­
м ая величина — кривая в п л оскости х, у.
о
.
Рис. 11-3. Основные виды графических записей.
а — н е п ер ес е к а ю щ и ес я за п и си ; б — п е р е се к а ю щ и е ся за п и с и .
нпя на бумаге, имеющей коэффи­
циент отражения
больше
0,5,
с цветом линий, соответствующим
спектральной характеристике эле­
мента, и толщиной линий, удовле­
творяющей разрешающей способно­
сти датчика.
При расшифровке графиков ши­
роко используется транспонирова­
ние скоростей записи и расшифров­
ки: расшифровка обычно произво­
дится со скоростями, обеспечиваю­
щими наилучшую производитель­
ность и точность при использовании
данной ИС.
Обычно графики расшифровы­
ваются, исходя из требований вос­
становления непрерывной кривой.
Из этих соображений выбирается
шаг квантования по времени (см.
гл. 5). Скорость движения ленты
ограничивается обычно требованием
неизменности ординаты кривой в те­
чение расшифровки.
В подавляющем большинстве
ИС для расшифровки графиков
используется равномерное кванто­
вание по аргументу.
Ордината графических изобра­
жений может измеряться всеми из­
вестными методами уравновешива­
ния и совпадения (гл. 8). Однако
наибольшее применение имеет раз­
вертывающее
уравновешивание
с преобразованием ординат графика
в пропорциональные им интервалы
124
времени и последующим измерени­
ем полученных интервалов.
Кривая на непрозрачных носите­
лях выделяется путем восприятия
отраженного света, на прозрачных
носителях — проходящего
света
Сканирование может выполняться
непосредственно воспринимающим
элементом или сканирующим лучом
при неподвижном воспринимающем
элементе. В качестве воспринимаю­
щих элементов используются фотоприемники (фотоэлектронные умно­
жители, фотосопротивления, фото­
диоды и фототранзисторы) с соот­
ветствующими оптическими устрой­
ствами, обеспечивающими согласо­
вание свойств фотоприемников и
изображений. Источники света-—
лампочки накаливания, электронно­
лучевые трубки и т. п.
Сканирующие движения обеспе­
чиваются с помощью оптико-меха­
нических (рис. 11-4) или электрон­
ных (рис. 11-5) развертывающих
устройств. Перемещающийся в на­
правлении измеряемой ординаты
фотоприемник
показан на рис.
11-4,а, развертывание луча с по­
мощью качающихся
зеркал — на
рис. 11-4,6 и в. При применении пе­
ремещающегося луча возникают по­
грешности расшифровки, связанные
с изменяющимся отношением угла
поворота зеркала к перемещению
луча по поверхности графика. Для
Рис. 11-4. Оптико-механические развертывающие устройства.
а—с
п ер ем ещ а ю щ и м ся ф от одатч и к ом ; б — с к ач аю щ и м ся зер к а л о м КЗ и н еподвиж ны м ф о т о д а тч и к о м ;
п е р ем ещ а ю щ и м ся
зер к ал ом м агни тоэл ек тр и ч еск ого в и бр атор а МЭВ и н еподвиж ны м ф о т о р е зн с т о ром; Гр — расш иф ровы ваем ы й граф ик.,
»
уменьшения этой погрешности либо
делается неравномерным движение
качающегося зеркала либо изменя­
ется при расшифровке форма носи­
теля, на который записано графи­
ческое изображение.
На рис. 11-6 графическое изо­
бражение преобразуется в фотопро­
водящем слое (трехсернистая сурь­
ма, окись свинца и др.) видикона
в потенциальный рельеф, который
при последующем режиме коммута-
Рнс. 11-5. Электронное развертывающее устройство.
Гр =— гр аф и к ;
Л — л и н за; ФД\ — ф от од атч и к , восп ри н и м аю щ и й от р а ж ен н ы й
Ф д 2 _ ф от од атч и к , в осп р и н и м аю щ и й п р о х о д я щ и й св ет.
а) Сканирующие ИС расшифровки
непересекающихся и цветных
пересекающихся графиков
Гр — гр аф и к , В — ви д н к он . Л — л и н за .
ции преобразуется в токовый сиг­
нал, определяемый изменением по­
тенциала фотопроводящего
слоя
в освещенных точках
Выпускаемые промышленностью
вндиконы имеют размеры фотопро­
водящего слоя 9,5X12,5 мм, 18Х
Х18 мм с разрешающей способ­
ностью до 800 линий (50—60 линии
на миллиметр с длиной волны от
0,45 до 0,6 мкм [Л. 11-7, 11-10]).
В настоящее время разработано'
и используется довольно большое
количество разнообразных скани­
рующих ИС, предназначенных для
расшифровки
непересекающихся,
пересекающихся цветных и одно­
цветных графических изображений
(функций времени).
Данные, приведенные в табл.
11-2 [Л. 11-7, 11-9], характеризуют
лишь некоторые типы ИС. Подав­
ляющее большинство разработан­
ных ИС основано на использовании
оптико-механических сканирующих
устройств, позволяющих получить
неплохую разрешающую
способ­
ность и малую погрешность измере­
ния, и метода развертывающего
преобразования [Л. 11-3].
Для подробного изучения ИС
расшифровки графиков и их основ­
ных узлов отсылаем читателей
к специальной литературе [Л. 11-7—
11-11 и др.]. Мы же остановимся
лишь на структурно-функциональ­
ных схемах и принципах работы
такого типа ИС.
i26
Типичная
структурно-функцио­
нальная схема устройства для рас­
шифровки одной кривой с оптикомеханическим сканирующим устрой­
ством (рис. 11-7) содержит ленто­
протяжный механизм Д, обеспечи­
вающий непрерывное или шаговое
перемещение ленты, сканирующее
Ск и измерительное устройства.
При сканировании луч может пере­
мещаться поперек ленты непрерыв­
но и независимо от работы измери­
тельного устройства. В этом случае
к равномерному перемещению ска­
нирующего луча предъявляются от­
носительно высокие
требования.
Сканирование луча может задавать­
ся генератором обеспечивающим
шаговое перемещение сканирующе­
го механизма и управляемым от
общего с измерительным устройст­
вом генератора тактовых импуль-
Рис. 11-7. Схема устройства для расшиф­
ровки одной кривой.
*
Основные характеристики PtC для расшифровки многоканальных графиков
АСМО
АСРК
IBM 7044
2
10
5
6
15
30
10
Возможность выбора каналов
2 из 3
Есть
Есть
Есть
Есть
Есть
Есть
Расшифровка
пересекающихся кривых
Нет
Нет
Нет
Алгоритми­
ческая
Алгоритми­
ческая
Аппаратур­
ная
Алгоритми­
ческая
ПЛ (телеграфный
код)
ПЛ И КИ
(2/10)
ПЛ
КИ пли непре­
рывный сигнал
КИ (2/8)
КИ (2/8)
—
Скорость измерений, орди­
нат в секунду
12
2
25 или 50 орди­
нат в секунду
для каждой
кривой
300
1500
2400
6 й 13
Погрешность измерения ор­
динат
2%
1,5о/о
1%
0,5 мм
0,1 мм
0,1 мм
0,175 мм
Ширина носителя, мм
35—305
35
35—230
100, 120, 200
120, 200,
240, 305
До 305
150
Толщина линии графика, мм
0,2; 0,5
0,12
0,5
0,2
0,2
0,2
0,2
Шаг квантования
ленты, мм
0,5; 1; 2,5;
5
0,5; 1; 2
1; 2; 5; 10
0,25; 0,5;
1,0; 2,0; 4,0
0,25; 0,5;
1,0; 2,0; 4,0
0,25
Количество кривых
Связь с ВМ
вдоль
о
M A CK
о
П Г-2
со
ПГ-1
о
.Силуэт"
Технические характеристики
П р и м е ч а й и я: 1. Допустимая крутизна графикоз от 84 д о 87°.
2. Разрешающая способность от 0,4 д о 0,8
3. Цвет линий — черный, красный, зелены й.
4. Все ИС имеют ш агозое движение ленты (за исключением „Силуэта") и оитико-мехачическое сканирование ( у ,Снлуэтч" и сп ользуется виднкон),
Л Л — перфолента; К И — кодоимпульсный электрический сигнал.
юов Тогда нестабильность тактовых
импульсов не влияет на погреш­
ность измерения Разновидностью
этого способа является использова­
ние генератора тактовых импульсов
выполненного в виде фотоэлектрон­
ного узла, фиксирующего прохожде­
ние перед ним шкалы с нанесенны­
ми на ней рисками.
Измерительное устройство содер­
жит фотоприемники, выдающие им­
пульсы ИН при пересечении линии
начала измерения ЛИ, при пересе­
чении анализируемой кривой — им­
пульс отсчета ИО и при пересечении
линий конца цикла измерения ЛК —
импульс ИК. Линии начала и конца
измерения могут наноситься на гра­
фике или (наиболее часто) воспро­
изводиться в сканирующем устрой­
стве. В счетчике Сч накапливается
количество импульсов, пропорцио­
нальное значению измеряемой орди­
наты. Результат выдается после
пересечения сканирующим лучом
кривой. Импульс конца цикла изме­
рения подготавливает все1узлы си­
стемы к измерению последующей
ординаты.
Рис. 11-8. Схема устройства ПГ-1.
Измерительные системы, предна­
значенные для последовательного
измерения нескольких непересекаю
щихся кривых, работают аналогия
ным образом. Схема усложняется,
если необходимо получить несколь­
ко результатов измерения. Значения
ординат могут отсчитываться от об
щей базовой (начальной) линии
либо для каждой кривой от своей
базовой линии В таких системах
часто предусматриваются: возмож
ность выборочного измерения любой
кривой, изменение масштаба изме­
рения кривых, установка цветофильтров на фотоприемники для выделе
ния кривых соответствующих цве­
тов, проверка правильности работы
Перейдем к рассмотрению неко
торых систем.
Краткое описание устройства ПГ-1
Система ПГ-1 [Л. 11-7] произво
дит поочередные измерения ординат
пересекающихся цветных и непере
секающихся одноцветных графиков
и выдачу результатов измерения не
посредственно на ЦВМ или на пер
фоленту. На перфоленту записыва
ются данные о масштабах записи,
отметки времени, значения ординат
и служебные
команды
Допу
скается использовать в качестве но­
сителей графиков кальку, фогобу
магу, миллиметровую бумагу и т. п
Графики могут наноситься красным,
зеленым, синим, фиолетовым и чер­
ным цветами.
Рассмотрим структурную схему
ПГ-1 (рис. 11-8). Лепта перемеща­
ется с помощью лентопротяжного
механизма непрерывно или с посто
янным шагом. Для генерации им­
пульсов— отметок времени при не­
прерывном движении ленты служит
фотоприемник В. С помощью пере­
мещающихся фотоприемников Н и
К устанавливается зона, в которой
находится кривая, подлежащая рас­
шифровке.
Оптико-механическая сканирую­
щая система Ск выполнена с ис­
пользованием узла фототелеграфно­
го аппарата ФТА-ПМ. Сканирова-
ние луча обеспечивается качающим­
ся зеркалом и имеет разрешающую
способность 4—5 линий на милли­
метр и скорость развертки 2 строки
в секунду. В фотооптический блок
ФОБ помимо устройства сканирова­
ния входят система цветовых филь­
тров и фотоэлектронные умножите­
ли ФД. На выходе фотоэлектрон­
ных умножителей формируются сиг­
налы, несущие информацию о цвете
расшифровываемой кривой.
Эти
сигналы поступают в блок автома­
тического
распознавания
цвета
БАРЦ В этом блоке формируются
сигналы начала отсчета кривой дан­
ного цвета и пересечения этой кри­
вой сканирующим лучом. Сигналы
от БАРЦ управляют счетчиком СчК)
от которого получается результат
измерения ординат, и счетчиком
Счм, производящим подсчет импуль­
сов от кривой данного цвета
В регистр ординаты кривой Рк
вводится также порядковый номер
результата измерения. С помощью
дешифратора
масштабов
ДШМ
сравниваются между собой число
импульсов на данной (от Счм) и на
предыдущей (от регистра масштаба
Ям) строках. Перенос кода из Счк
в Як разрешается только при по­
вторении масштаба. В случае сбоя
или пропадания импульса на перфо­
ленту наносится предыдущее значе­
ние ординаты и масштаба.
Результаты измерения из регист­
ра Як переносятся в регистр перфо­
рации. Управление перфорацией вы­
полняет блок СУП. Имеется счетчик
тактов Счт перфорации
Краткое описание истройства
MACK
Основные технические характе­
ристики многоканального автомата
считывания кривых MACK:
1. Обеспечивается измерение и
преобразование в электрическое на­
пряжение ординат любого сочетания
визуальных кривых за одну протяж­
ку ленты; номера считываемых гра­
фиков устанавливаются оператором
с пульта управления.
9—741
2. Максимальное количество непересекающихся графиков на одной
ленте — 6.
3. Ширина ленты — до 200 мм,
длина — до 40 м.
4. Толщина линии записи не ме­
нее 0,2 мм.
5. Шаг квантования — 0,4, 0,8,
1,6 -мм.
6. Быстродействие 50 или 100 из­
меряемых ординат в секунду для
каждой конвой.
7. Предусмотрена система уп­
равления, контроля и исправле­
ния сбоев при некачественных за­
писях.
8. Ординаты всех считываемых
графиков измеряются относительно
базовых указателей (на ленте базо­
вые линии не наносятся).
9. Имеется ручное и автоматиское (от ЦВМ) управление.
В хМАСК (рис. 11-9) использует­
ся оптико-механическая развертка
ленты, имеющей круговую форму
в зоне считывания, с помощью тон­
кого плоскопараллельного двусто­
роннего зеркала 3. Зеркало прпво
дится в равномерное вращение
с помощью синхронного двигателя
СД (Г304) с частотой вращения 25
и 50 об/с. Питание двигателя про­
изводится от стабилизированного
кварцевого генератора
(погреш­
ность поддержания частоты 10-9).
Продольное передвижение ленты
осуществляется шаговым двигате­
лем ШД с шагом 0,4; 0,8 или 1,6 мм.
Управление движением шагового
двигателя ведется от фотоэлектрон­
ного датчика ФД, световые импуль­
сы на который проходят через от­
верстия во вращающейся пластине
Я. Передвижение ленты выполняет­
ся в пределах углов р.
Базовые линии Ei размещаются
на специальной планке и восприни­
маются фотоприемником ФБ.
Сигналы при пересечении графи­
ка Pi формируются фотоприемни­
ком ФГ Перед ФБ и ФГ устанавли­
ваются диафрагмы с отверстием,
имеющим диаметр 0,2 мм. В каче-
/< В М
Аналог
стве фотоприемников используются
ФЭУ-26
Освещенность ленты (0,55-104лк
с расстоянием 200 мм) обеспечи­
вается малогабаритными лампами
(12X15 Вт) с диффузионными от­
ражателями.
Сигналы от фотоприемников по­
сле усиления и формирования по­
ступают в устройство управления У,
в котором определяются знак орди­
наты («знак») и моменты выделения
интервалов времени, в течение кото­
рых импульсы от генератора сум­
мируются в счетчике Счи Частота
импульсов генератора рассчитывает­
ся таким образом, чтобы каждому
миллиметру ординаты соответство­
вало 15 импульсов. Знак ординаты
определяется путем анализа момен­
та прихода импульсов от ФБ и ФГ.
В устройстве управления имеется
возможность установить номер кри­
вой,, которая подлежит расшифров­
ке, кроме того, имеется возможность
подготовки для записи в машину
одного, двух и трех чисел.
В MACK имеется блок контроля
К, в котором реализуются следую­
щие проверки:
отсутствие поступления подряд
двух сигналов от ФБ\
при положительных ординатах
(относительно специально установ­
ленных базовых линий) появление
сигнала от ФГ до сигнала от ФБ\
то же, но появление сигнала от
ФБ после выдачи ординаты в ЦВМ.
Для работы с аналоговыми вы­
числительными машинами
типа
«Аналог-1» в MACK предусмотрены
цифро-аналоговый преобразователь,
коммутатор
и
запоминающие
устройства на операционных усили­
телях ТУ-10.
MACK реализован на стандарт­
ных элементах ЦВМ «Минск-22», за
исключением усилителя-формирова­
теля сигналов от ФЭУ-26 и генера­
тора питания двигателя СД.
Подробное описание принципи­
альной схемы MACK, его конструк­
ции и устройств связи с ВМ при­
водится в [Л. J1-9].
Принцип действия сканирующей ^
ИС для ввода в ЭЦВМ фильмовой
информации
Измерение координат изображе­
ний, записанных на киноленте или
фотопластинке, необходимо произво­
дить при расшифровке данных, по­
лученных при проведении экспери­
ментов в ядерной физике, астроно­
мии и т. д. Имеются довольно мно­
гочисленные разработки таких ИС.
Остановимся на ИС [Л. 11 11], в ко­
торой развертывание светового луча
производится с помощью электрон­
но-лучевой трубки ЭЛТ выделение
кривой выполняется фотоэлектрон­
ным умножителем, а в качестве ме­
ры используется решетка равноот­
стоящих реперных линий, позволяю­
щих определять положение точки
в системе прямоугольных координат
X, Y (рис. 11-10) С целью получе­
ния координат любой точки на ска­
нируемой плоскости при ее строчной
развертке одна из решеток имеет ре­
перные линии, имеющие наклон
в 45° относительно осей координат
(рис. 11-11).
Количество линий этой решетки
выбирается, исходя из обеспечения
заданной погрешности измерения по
оси Y при учете предельно возмож­
ных искажений строчной развертки
лп
Рис. 11-10. Схема ИС для ввода фильмовой
информации в ЦВМ.
Рис. 11-11. Расположе­
ние линий реперных ре­
шеток.
\
ЭЛТ (рис. 11-10). Значение коорди­
наты iji определяется значением ко­
ординаты Xi, номером наклонной
линии и интервалом квантования
оси Y с помощью решетки наклон­
ных линий. Использованный здесь
способ измерения ординаты у г имеет
сходство с растровыми разверты­
вающими системами, описанными
в [Л. 11-12]. На рис. 11-11 представ­
лены решетки X и Y, имеющие оди­
наковые интервалы квантования, и
выделена строка, имеющая расстоя­
ние по оси Y, равное четырем ин­
тервалам квантования. Отсчет коор­
динат производится по сигналу, по­
ступающему от фотоэлектронного
умножителя при пересечении лучом
расшифровываемой кривой. '
Результаты измерения запоми­
наются, а затем поступают на ЦВхЧ.
Устройство управления 1 служит
для исключения из расшифровки
участков сканируемой плоскости,
в которых заведомо не содержится
информации, а устройство 2 — для
управления перемещением
луча
ЭЛТ и выборкой из устройства па­
мяти результатов измерения {ЛП —
лентопротяжный механизм).
Основные технические характе­
ристики ИС таковы: размер скани­
рующего кадра 18X24 мм, разре­
шающая способность 50 мкм, время
сканирования одного кадра 4 с.
рации нескольких величин путем ис­
пользования для записи всей шири­
ны носителя.
Графики могут иметь общие точ­
ки при пересечении П или касаний
К (рис 11-12). Если кривые не име­
ют особых отметок (цвет, толщина
линий и т. п.), то для расшифровки
таких записей в ИС должны прини­
маться специальные меры. Способы
распознавания пересекающихся од­
ноцветных кривых сводятся к схем­
но-логическим (аппаратурным) и
алгоритмическим [Л. 11-7 — 11 -9]
способам. Схемно-логические спосо­
бы распознавания
применяются
обычно при небольшом количестве
кривых.
Включение устройств или про­
грамм распознавания кривых, как
правило, производится с помощью
v специального блока, определяющего
«опасную» близость кривых. В этом
блоке сравнивается разность орди­
нат hi с заранее установленной ме­
рой близости е (рис. 11-13,а); при
наклонном движении сканирующего
луча сравнивается приращение Д/г
с заданной величиной А (рис.
11-ГЗ.б).
Наиболее простой способ распо­
знавания кривых на «опасных» уча­
стках связан с определением знака
производных кривых или разностей
значений их ординат (рис. 11-14).
В точках пересечения кривых
(рис. 11-14) разность значений орди­
нат равна нулю, а производные
|6(Д /)| отличны от нуля и могут
быть больше заданного уровня щ.
В точке касания (рис. 11-12)
| Д/1 и вторые разности |6 (Д /)|
близки к нулю. Эти признаки могут
быть использованы при построении
L схемных решений.
б) Сканирующие ИС расшифровки
пересекающихся одноцветных графиков
Пересекающиеся графики приме­
няют из-за стремления уменьшить
погрешность одновременной регист132
Рис. 11-12. Пересечение и касание уча
стков кривых.
Рис. 11-13. К определению «опасной» близости кривых.
а — по разн ост и о р д и н а т h кривы х; б —- по интервалам времени A/j между пересечения­
ми кривы х.
Схема различения двух пересе­
кающихся кривых (рис. 11-15) ра
ботает следующим образом [Л. 11-7].
Импульсы-отметки от фотопри­
емников поступают на триггер уп­
равления, работающий в пересчетком режиме, а затем через схемы
И1, И2 на выходную цепь различения
кривых. Одновременно импульсы
проходят в схему корректировки
положения триггера управления.
Первым импульсом, прошедшим че­
рез схему Иъ запускается ждущий
генератор линейно-возрастающего
напряжения. Уровень напряжения,
достигнутый до прихода импульса
от Hi и пропорциональный |Д /|,
запоминается и при появлении им­
пульса конца развертки ИК пере­
носится в запоминающее устройство
2, где хранится до прихода следую­
щего импульса через Иг.
Этот импульс вновь запускает
генератор Г, напряжение от которо­
го подается на схему сравнения.
В момент равенства напряжений на
входах схемы сравнения ею выдает­
ся и затем формируется импульс.
Этот импульс имеет временной
сдвиг, пропорциональный разности
ординат кривых |Д /|, а его задерж­
ка. относительно второго импульса
второй строки
пропорциональна
второй разности |б(А/) | - Каждый
второй отсчетный импульс запускает
генератор, -выдающий импульс дли­
тельностью то (что соответствует
заданному значению ошибки е на
рис. 11-14,а). Если импульс от схе­
мы сравнения задержан больше, чем
на т, то на выходе Иь появится сиг­
нал «пересечения», если меньше,
чем на то, то на выходе Из сигнал
«касания». Блок F выдает корректи-
Рис. 11-14. Вид кривых, йервых и вторых
разностей их ординат.
а — при пересечении; б — при касаи
рующий импульс после окончания
серии импульсов пересечения (при
малых углах пересечения кривых)
Корректирующий импульс не выра
батывается, если последовательно
поступают импульсы пересечения
и касания (кривые сблйзились, но
не пересеклись).
При числе пересекающихся кри­
вых более двух схемные решения
различения ординат кривых стано­
вятся громоздкими. Тогда исполь­
зуется экстраполяция кривых с по­
мощью аппроксимирующих много­
членов или статистическая экстра­
поляция и оценивается степень*
близости реализованных ординат
кривых к предсказанным значениям.
Из аппроксимирующих много­
членов наиболее часто используется
многочлен Ньютона относительно
невысокой (3—5) степени [Л. 11-7—
11-9]. Производится экстраполяция
всех кривых и оценивается степень
близости предсказанных и получен­
ных значений.
В большинстве сканирующих
ИС, осуществляющих расшифррвку
пересекающихся кривых, экстрапо134
ляция и распознавание кривых про­
изводятся с помощью ВМ В [Л. 11-7,
11-8] приводятся соответствующие
программы для ВМ. Наряду с этим
имеются ИС, в которых распознава­
ние выполняется с помощью специа­
лизированных устройств; функцио­
нальные схемы таких систем приве­
дены в [Л. 11-8, 11.-9].
п -з. с к а н и р у ю щ и е с и с т е м ы ,
ОСУЩЕСТВЛЯЮЩИЕ ИЗМЕРЕНИЕ
ПОЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА
Областью применения сканирую
щих ИС, предназначенных для из
мерения полей общих деформаций
(перемещений), является экспери­
ментальное измерение полей дефор­
маций в моделях отдельных элемен­
тов конструкций и конструкций
в целом при их испытаниях.
При построении подобного рода
ИС следует учитывать необходи­
мость восприятия и анализа всего
поля механических
параметров.
Весьма перспективным является ис­
пользование для этой цели гологра­
фии. Однако в настоящее время име-
ются неразрешенные трудности,
связанные с обеспечением необходи­
мых условий работы голографиче­
ской установки при промышленных
испытаниях и с количественной
оценкой голографического изобра­
жения поля деформаций.
Значительный интерес при реше­
нии подобных задач представляют
сканирующие ИС с промежуточным
преобразованием, например с по­
мощью передающей телевизионной
трубки, оптического изображения
исследуемого объекта в распределе­
ние электрических потенциалов и
сканирование последнего электрон­
ным лучом.
Для достижения необходимой
точности измерения желательно вво­
дить меру непосредственно в про
цессы промежуточных преобразова­
ний, а также измерять приращения
деформаций.
Из методов, с помощью которых
возможно выполнение этих требова­
ний, остановимся на методе муаро­
вых полос и электрических бие­
ний
Как известно, муаровые полосы
образуются при наложении двух
или более сеток, состоящих из ли­
ний или других геометрических фигур [Л. 11-13]. В области измерения
поля деформаций применяются ме­
тоды с использованием муаровых
полос, возникающих при наложении
двух решеток из прямых параллель- ных линий, расстояние между кото­
рыми равно толщине линии [Л. 11-14,
11-15 и др.]. Шаг муаровых полос
может быть определен в первом при­
ближении
из
выражения
Г=
= 0i02/| 0i—021, где 0i и 02 соответ­
ственно равны расстояниям между
линиями первой и второй решеток.
Устройство, реализующее этот
метод [Л. 11-16], содержит оптиче­
скую и телевизионную части (рис.
11-16). Оптическая схема состоит
из решетки 1 вертикальных черно­
белых полос, нанесенных с шагом 0i
на деформируемую поверхность, ре­
шетки 2 с неизменным в процессе
испытаний шагом полос 02 и поло-
Рис. 11-16. Схема устройства, основан­
ного на использовании метода муаровых
полос.
жением в пространстве, а также уз­
лов, необходимых для проектирова­
ния этих решеток на мишень теле­
визионной передающей трубки 3.
Шаги между полосами решеток
выбраны таким образом, чтобы
в плоскости объекта измерения они
были примерно равны. В результа­
те оптической интерференции на
мишени передающей трубки образу­
ется картина муаровых полос, рас­
положенных с шагом Г1 При пере­
мещении поверхности деформируе­
мого объекта эта картина изменит­
ся, расстояние между полосами при
плоскопараллельном перемещении
решетки по направлению к объекти­
ву 4, положим, станет равным Гг.
Тогда общая деформация А/= '
~IQ i (Ti—T2)/T i Tz. Анализ погрешностей измерения методом муаровых полос, проведенный в (Л. 11-16],
показал, что погрешность измерения
ограничивается 0,5—1,0%. Наиболь­
шую трудность в этом случае со­
ставляет выделение полезного сиг­
нала на фоне помех.
Известная величина может быть
введена после преобразования опти­
ческого
изображения
решетки
в электрический сигнал [Л. 11-17].
A I.
Рис. 11-17. Схема устройства, основанного
на методе «биений».
На рис. 11-17 решетка из вертикаль­
но расположенных линий проекти­
руется объективом О на мишень пе­
редающей трубки ТД. С помощью
генераторов кадровой и строчной
развертки производится сканирова­
ние потенциального рельефа. Элек­
трический сигнал после усиления
поступает на блок F, служащий для
выделения строки из растра и от­
деления полезного сигнала от га­
сящих импульсов. Затем полезный
сигнал поступает на полосовой
фильтр (спектр частоты полезного
сигнала при сканировании обычно
выше, не менее чем на порядок, об­
ласти частот паразитного сигнала)
и после двустороннего ограничения
смешивается
с синусоидальным
сигналом гетеродина. На выходе
смесителя (после фильтра нижних
частот) выделяется разностная ча136
стота между полезным сигналом и
сигналом^ от гетеродина. Эта часто­
та биений (при неизменной частоте
гетеродина) определяется шагом ре­
шетки, скоростью сканирования и
расстоянием от решетки до объек­
тива. При перемещении поверхности
по направлению к объективу общая
деформация равна:
^ = 4 ( Д - / о) - ( / 2- / 0)],
где Д /о частота биений в на­
чальном положении; /2—/о — в деформированном положении.
Из-за непараллелыюсти и на­
чальной - кривизны
относительно
мишени передающей трубки, иска­
жении в оптике и неравномерности
движения сканирующего луча воз
никает паразитная девиация часто­
ты. Ее можно существенно умень­
шить, применяя автоматическую
подстройку частоты АПЧ.
Естественно, что при таком спо­
собе возможно измерение деформа­
ций только по координате, перпен­
дикулярной линиям решетки объек­
та измерения. Погрешности измере­
ния в этом случае составляют так­
же около 1% и изменяются по полю
деформаций, а чувствительность из­
мерения повышается.
П-4. СКАНИРУЮЩИЕ ИС,
ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ
ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУР
В, отличие от рассмотренных ра­
нее сканирующих ИС в системах,
предназначенных для измерения по­
ля температур, приходится решать
задачи, ^ связанные с измерением
значений температур, распределен­
ных в заданном пространстве, с на­
хождением места экстремальных
значений температур и последую­
щим измерением этих значений,
с выделением в поле'линий равных
температур (изотерм) или участков
наибольших градиентов температур,
с термопеленгацией источников теп­
ла и т. и
Перечисленные задачи возника­
ют не только при измерении пара­
метров температурных полей но
являются типичными при количест­
венной оценке полей механических,
световых, акустических, электромаг­
нитных величин. Конечно, решаются
эти задачи с учетом специфики из
мерения этих величии Однако прин­
ципы построения сканирующих ИС
остаются при этом неизменными
[Л. 11-1, 11-2, 11 18, 11-19].
Учитывая, что измерения пара­
метров температурных полей имеют
большое значение, остановимся да­
лее на ИС, предназначенных для
измерения температур, распределен­
ных в пространстве.
Методы пирометрии основаны .
на измерении температуры тела по
потоку излучаемой им энергии. От­
сылая читателей к специальной ли­
тературе по "теории радиационной
пирометрии [Л. 11-21], сосредоточим
внимание на принципах построения
сканирующих ИС для пирометрии.
Измерительные системы, скани
рующие всю поверхность поля,
в большинстве случаев состоят из
пирометра, позволяющего выпол­
нять измерение температуры в точ­
ке поверхности, и устройства, при­
водящего этот пирометр в скани­
рующее движение в пространстве
[Л. 11-1, 11-2, 11-18— 11-20 11-26].
Сканирующие ИС температур­
ных полей начнем рассматривать
с систем, в которых пирометр непо
■средственно воспринимает и изме­
ряет
температурную
радиацию
в каждой точке поля последователь­
но. Приведем несколько примеров
реализации таких систем
В компенсационной сканирую­
щей системе [Л. 11-2] используется
приемник фотоэлектрического ярко­
стного пирометра ФЭП-4, установ­
ленный на платформе, позволяющей
сканировать -исследуемую площадь
в двух взаимно перпендикулярных
направлениях (рис. 11-18,а). Фото-'
элемент 7 (рис. 11-18,6) яркостного
пирометра воспринимает излучение
от исследуемой точки 1 через объ­
ектив 2, диафрагму 3, экран 5 с от­
верстием и светофильтр 4. Экран 5
вибрирует с частотой 50 Гц и пре­
рывает излучение от точки 1 и от
лампочки накаливания 6. На выхо­
де фотоэлемента 7 формируется пе­
ременное напряжение с частотой
50 Гц, амплитуда которого пропор­
циональна разности между потока­
ми излучений лампочки накалива­
ния и исследуемой точки поверхно­
сти. Это напряжение усиливается,
выпрямляется и подается на лампу
накаливания. Следовательно, яр­
кость свечения лампы зависит от
яркости свечения исследуемой точ­
ки. Напряжение от детектора одно­
временно подается на регистрирую­
щий потенциометр. При применении
такой системы измеряются темпера­
туры от 500 до 2000 °С, период ска
нироваиия равен .1 мин, общая ста-,
тическая погрешность равна при­
мерно 4%. На том же принципе
основан низкотемпературный (от
100 до 500 °С) фотоэлектрический
пирометр ФЭП-8 [Л 11-27], который
может быть использован в описан­
ной сканирующей системе.
Рис. 11-18. Компенсационная сканирующая ИС для измерения температурного поля.
о — платформа с пирометром; б — структурная схема я р к остн ого
п и р ом етр а
Несколько отличаю­
щаяся по конструкции
и типу приемника из­
лучения
(фотосопро­
тивление InSb, p-tt-neреход площадью 25 X
ХЮ"4 см2) сканирую­
щая ИС позволяет из­
мерять температурное
поле, имеющее динами
ческий диапазон от 50
до 250 °С с разрешаю­
щей способностью око­
ло 0,03 мм. Подобные
системы используются
при исследованиях ре­
жимов работы элемен­
тов
микроминиатюр­
ных схем [Л 11-2].
Довольно многочи­
Рис. 11-19. Сканирующий радиационный пирометр
сленный класс скани­
рующих ИС для изме­
Для измерения инфракрасного
рения температурного поля объеди­
няет системы с промежуточным пре­
излучения с плоскости использует­
ся сканирующий радиационный пи­
образованием температурной радиа­
рометр [Л: 11-2], принципиальная
ции исследуемого поля в электриче­
ский потенциальный рельеф, который
схема которого представлена на
рис. 11-19 От сканирующего зер
затем сканируется и измеряется. Та­
кала СЗ излучение исследуемого
кие ИС часто называются телевизи-’
объекта направляется с помощью
юнными системами. В них для про­
рефлекторной оптической системы
межуточного преобразования ис­
Р на рефлекторный болометр Б.
пользуются передающие телевизион­
ные трубки (видиконы, суперортиПосле усиления напряжение боло­
метра подается на лампу накалива­
коны, диссекторы и др.), трубки
ния, яркость свечения которой прос мишенью в виде мозаики фоточувпропорциональна интенсивности ин­
ствительных элементов, видиконы
фракрасного излучения. На фото­
с охлаждаемым фотокатодом, пред­
пластинку ФП линзой Л проекти­
назначенные для восприятия инфра­
красного излучения, твердотельные
руется картина
температурного
мозаичные передающие трубки (на­
поля
пример, сканисторы), содержащие
При помощи оптического комму­
фоточувствительный слой и слой,
татора ОК (диск с вырезами и
обладающий диодными свойствами,
с зеркальной обратной стороной) на
и т. п. [Л. 11-26].
болометр периодически подается
Одной из первых сканирующих
излучение от «черного» тела ЧТ,
температура которого известна.
систем для измерения температур­
С приводом оптического комму­
ных полей с промежуточным преоб­
татора связан фотоэлектрический
разованием температурных излуче­
датчик сигналов, синхронизирующий
ний в электрические потенциалы
движение сканирующего зеркала
была, по-видимому, система с приме­
СЗ. Видимо, не представляет особо­
нением иконоскопа ЛИ-1 [Л. 11-20].
Она предназначалась для определе­
го труда получить результат изме­
рения интенсивности инфракрасного
ния профиля распределения интен­
излучения в цифровом виде.
сивностей свечения температурного
полл вдоль некоторой линии, выде­
ляемой щелевой диафрагмой. Изо­
бражение свечения техмпературного
поля через объектив и диафрагму
проектируется на иконоскоп, рабо­
тающий в однострочном режиме.
Усиленный выходной сигнал от ико­
носкопа синхронно развертывается
на экране электронно-лучевой труб
ки ЭЛТ. Для количественной оценки
значений местных интенсивностей
температурного излучения вдоль ли­
нии развертки на экране трубки на­
носятся калибрационные отметки,
получаемые при помощи воздейст­
вия на мишень иконоскопа источни
ков излучения с известными ярко­
стными температурами. Диапазон
измеряемых яркостных температур
с помощью данной установки опре­
деляется спектральной чувствитель­
ностью иконоскопа находящейся
в области 0,2—0 9 мкм
Для 'уменьшения погрешностей
измерения нестационарных темпера­
турных полей в [Л. 11-18] использо­
вано выделение двух составляющих
спектра цветовых температур. Цве­
товая температура нагретого тела
определяется через относительные
яркости Ьи и
соответствующие
длинам волн
и
по форхмуле
где коэффициент с2= 1,433 см-К.
При измерении температур, не
превышающих 3 000 К, обычно ис­
пользуются [Л. 11-18] синяя и крас­
ная части спектра с Хг=0,47 мкм и
X i= 0 ,6 6 мкм.
Выделение сигнала от различных
частей спектра может производить­
ся как по двухканальной схеме
с двумя передающими трубками,
так и по одноканальной с коммута­
цией спектральных характеристик
светофильтров. Цветовая темпера­
тура после измерения яркости опре­
деляется по градуировочным кри
вым или таблицам. Погрешность
Рис. 11-20. Сканирующая ИС, выделяющая изотермические линии.
измерения температуры подобным
способом
[Л. 11-1] составляет
3 -4 % .
Сканирующие
ИС,
осущест­
вляющие выделение изотермических
линий температурного поля, явля­
ются, по существу, разновидностью
ИС с одной мерой, общей для всех
точек поля (см. гл. 13). Мера может
быть задана в виде электрического
сигнала либо на входе сканирующе­
го пирометра в виде калиброванно­
го температурного излучения.
В качестве примера можно при­
вести [Л. 11-19] описание сканирую­
щей ИС, выполняющей выделение
изотермических линий (рис. 11-20).
Измеряемое радиационное излуче­
ние, пройдя через светофильтр СФ и
объектив О, отражается от зеркаль­
ного барабана ЗБ и фокусируется
в виде небольшого пятна на катоде
фотоэлектронного умножителя ФЭУi.
Сигнал от умножителя усиливаетсядо значения Uc, затем сравнивается
с опорным напряжением U0) уровень
которого определяет значение изо­
термы. В случае UC^ U 0 устройство
сравнения выдает импульс, который
затем формируется и подается на
модулирующий электрод электрон­
но-лучевой трубки ЭЛТ. Генераторы
кадровых и строчных разверток
синхронизированы с движением
зеркального барабана с помощью
импульсного датчика ИД и ФЭУ2.
Изменяя значение £/0, можно по­
лучить семейство изотермических
линий, характеризующее радиацион­
ное излучение температурного поля.
11-5. ПОНЯТИЕ ОБ АКТИВНОМ
И ПАССИВНОМ СКАНИРОВАНИИ
При выделении и измерении
экстремальных значений измеряе­
мых величин можно выполнять пас­
сивное и активное сканирование.
При пассивном сканировании траек­
тория движения луча предопределе­
на заранее и не изменяется в про­
цессе сканирования.
Активное сканирование связано
с изменением траектории сканиро140
вания в зависимости от информа­
ции о реализации измеряемой ве­
личины, получаемой системой в про­
цессе сканирования. Активные ска­
нирующие системы осуществляют
поиск определенного значения из­
меряемой величины с учетом резуль­
татов пробных движений.
Нахождение экстремального зна
чения измеряемой величины, рас­
пределенной в пространстве и имею­
щей непрерывный характер/ с ис­
пользованием активного сканирова­
ния позволяет резко уменьшить
протяженность траектории сканиро
вания по сравнению с длиной тра­
екторий пассивного сканирования.
Когда величина 0 распределена
в пространстве и является функци­
ей координат пространства У\,
У2, . . Уп> то может быть реализо­
вано несколько методов поиска ее
* экстремального значения.
Метод, при котором сканирова­
ние происходит по направлению гра­
диента изменения величины, назы­
вается методом градиента. Градиент
изменения измеряемой величины
является вектором и определяется
следующим образом:
grade = J ]k <-|2 r ,
;=i
где к; — единичные векторы осей
координат У{.
В точке экстремума grad 0^=0,
т е. все частные производные функ­
ции 0 в этой точке равны нулю.
Траектория сканирования по методу
градиента определяется последова
тельным выполнением пробных дви­
жений,
анализом
направления
grad 0 и сканирующим движенцем
в этом направлении.
Если величина 0 является функ­
цией одной переменной и имеет од­
но экстремальное значение, при ко­
тором dQ/dy= 0, то направление
движения к экстремуму определяет­
ся знаком текущей производной
dQ/dy (рис. 11-21).
На рис. 11-22 показано направ­
ление сканирующего движения По
Рис. 11-21. К поиску экстре­
мума кривой 0 (у) по мето­
ду градиента.
методу градиента в случае поиска
экстремума функции, распределен­
ной на плоскости.
Несколько более просты в реа­
лизации, а в ряде случаев не менее
эффективны методы наискорейшего
спуска, Гаусса—Зейделя и слепого
поиска.
При использовании метода на­
искорейшего спуска производится
определение значения и направле­
ния grad 0 в данной точке и скани­
рование в полученном направлении
до тех пор, пока производная от( 0
по принятому направлению не ста­
нет равной нулю. Это случится
в точке касания направления дви­
жения с линией 0j = const. В этой
точке вновь определяется gradO и
изменяется направление сканирова­
ния (рис. 11-23).
Метод Гаусса — Зейделя связан
со сканированием по координате yi
до момента dQ/dyi = 0, затем — дви­
жение по другой координате и на-
Рис. 11-22. К поиску экстремума кри­
вой 0(*/i, у2) по методу градиента.
Рис. 11-23. К поиску экстремума
кривой д(уи У2) по методу наи­
скорейшего спуска.
хождение частного экстремума 0
(рис. 11-24). Заметим, что этот ме­
тод используется при уравновеши­
вании мостов переменного тока.
При большом числе переменных
оказывается полезным метод слу­
чайного поиска. В этом случае тра­
ектория сканирования определяется
путем анализа случайных переме­
щений (шагов). Если при выполне­
нии пробного шага приращение
дд/ду{<0, то происходит возвраще­
ние в прежнюю точку траектории и
выполняется следующее пробное
движение.
Аппаратурные реализации поис­
ка экстремальных значений вели­
чин, распределенных в пространст­
ве, разработаны для относительно
простых случаев. Наиболее полно
рассмотрены методы построения
«экстремадоров» для одной величи­
ны, распределенной по участку пря-
Рис. 11-24. К поиску экстремума кри­
вой В(уи У2) по методу Гаусса —
Зейделя.
мой линии и по плоскости [Л. 11-22,
11-23].
Следует отметить, что целесооб­
разно во многих случаях преобразо-
/р
вать в сканирующей ИС простран­
ственно-распределенную
величину
в функцию времени и затем найти
экстремальное значение этой функ­
ции.
Поиск и обнаружение объектов,,
создающих температурное поле (на­
пример,
движущихся
объектов
с тепловыми двигателями), могут
также производиться методами пас­
сивного и активного сканирования.
Последнее возможно, если темпера­
турное поле объекта находится в зо­
не восприятия чувствительных эле­
ментов ИС. Если температурное по­
ле объекта находится вне зоны вос­
приятия ИС, то должно осущест­
вляться пассивное сканирование
пространства, в котором может на­
ходиться объект. Траектории скани
рования в случае отсутствия апри
орн'ых данных о вероятности нахож­
дения объекта в пространстве долж­
ны обеспечить равномерный «ос­
мотр» всего пространства.
Возможны различные реализа­
ции [Л. 11-1, 11-2] траектории ска­
нирования на плоскости, показан­
ные на рис. 11-25. Выбор вида
траектории сканирования при отсут­
ствии априорных данных определя­
ется, как правило, простотой аппа­
ратурной реализации сканирующе­
го устройства.
Наибольшее
распространение
в технике сканирующих систем име­
ет колебательно-колебательное дви­
жение.
Наличие априорной информации
о распределении вероятности на­
хождения объекта на площади по­
зволяет решать задачу оптималь­
ной организации сканирующих дви­
жений. Некоторые соображения по
этому поводу имеются в [Л. 11-1
11-2, 11-28].
Рис. 11-25. Траектории пассивного сканиро­
вания на плоскости.
а — к о л е б а т е л ь н о -к о л е б а т е л ь н о е д в и ж е н и е; б
сп и р а л ь н о е в р а щ а т е л ь н о -к о л еб а т е л ь н о е д в и ж ен и ев — р о зет о ч н о е в р а щ а т е л ь н о -к о л еб а т е л ь н о е Двн!
ж е н и е;
— сп и р а л ьн о е в р а щ а т е л ь н о -в р а щ а т е л ь ц о е
д в и ж ен и е;
д — р о зет о ч н о е
в р ащ ател ьн о-в р ац ;^
т ел ь н ое д в и ж е н и е; сок о л , совр, Л к о л , Л пр — Кру .
говые частоты
ам плитуды
к о л еб а т ел ь н о г о
в р а щ а т ел ь н о го д в и ж е н и я .
Выше были кратко рассмотрены
лишь наиболее распространенные
способы организации поиска экстре­
мумов унимодальных функций без
учета случайных погрешностей из­
мерений. В то же время реально из­
меряемые величины могут иметь
локальные экстремумы, другие осо
бенности (наличие «оврагов», «греб­
ней» и т. п.), влияющие на выбор
того или иного способа поиска; при
поиске должны учитываться мер­
ность исследуемого пространства,
погрешности измерений, изменения
измеряемой величины во времени и
другие факторы [Л. 11-29, 11-30].
Нужно заметить, что теория по­
иска находит довольно широкое при
ложение в ИИС. Так, при изложе­
нии материала по планированию
эксперимента (гл. 4), по структурам
измерительных систем (гл 8), си­
стемам опознания образов (гл. 24)
,и системам технической диагно­
стики (гл. 23) используются ре­
зультаты, полученные в теории
поиска
Сканирующие ИС, предназначен­
ные для термопеленгации, работа­
ют при непосредственном сканиро­
вании приемником радиационного
пирометра или при сканировании
электронным лучом по потенциаль­
ному рельефу, образованному при
помощи промежуточного преобра­
зования тепловой радиации. Приме­
ры таких термопеленгаторов приве­
дены в [Л. 11-2, 11-18, 11-19].
В заключение необходимо ска­
зать, что помимо рассмотренных
в этой главе сканирующих ИС, осу­
ществляющих измерения графиче­
ских изображений, полей переме­
щений и температурных полей су­
ществуют и другие виды сканирую­
щих ИС, предназначенные для ра­
боты во многих областях науки и
техники.
Можно указать, в частности, на
сканирующие ИС, устанавливаемые
на метеорологических спутниках и
космических зондах [Л. 11-24], ИС
для навигационных систем, на при
менение сканирующих ИС в распо­
знающих системах, на ИС для авто­
матического анализа микрообъектов
[Л. 11-25], радиолокационные и
оптико-локационные метеорологиче­
ские анализаторы полей, сканирую­
щие ИС нестационарных давлений
потоков и т. д.
Наиболее полно области прило
жения сканирующих ИС и особен
ности их реализации рассматрива­
ются в цикле работ Г. П. Катыса
[Л. 11-1, 11-2, 11-18, 11-19].
ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ —
МНОГОТОЧЕЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
12-1. ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ СИСТЕМ
ПАРАЛЛЕЛЬНО­
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ
В ИС параллельно-последова­
тельного. действия можно выделить
два основных класса: первый из них
объединяет системы, в которых для
выполнения поставленной задачи
используются одновременно много­
канальные и сканирующие ИС, вто­
рой— системы, в которых измери­
тельный тракт включает участки,
работающие' в режимах параллель­
ного и последовательного получения
измерительной информации.
При построении ИС, имеющих
многоканальную и сканирующую
части, встают вопросы рационально­
го распределения выполняемых ими
функций.
Измерительные системы, в кото­
рых в измерительном тракте орга­
нически объединяются параллель­
ный и последовательный принципы
получения и обработки измеритель­
ной информации, имеют довольно
много существенных отличий от
многоканальных и сканирующих
систем. Поэтому необходимо такие
системы рассмотреть особо. Это
важно ввиду широкого их приме­
нения на практике.
Наиболее типичная ситуация,
© которой используются ИС пар ал
лельно-последовательного действия,
состоит в необходимости получения
измерительной информации о значе­
ниях заданного количества однород­
ных или разнородных величин, вос­
принимаемых ИС непосредственно
или с помощью первичных измери­
тельных преобразований При этом
на ИС накладываются ограничения,
которые связаны в большинстве
случаев с требованиями по.следова
тельной (программной) или выбо­
рочной (адресной) выдачи резуль­
татов измерения значений каждой
величины (положим, для цифровой
регистрации и для ввода в ЦВМ),
при этом должны удовлетворяться
требования по метрологическим и
эксплуатационным характеристикам
при минимальной сложности и стои­
мости.
Именно выполнение условий ми­
нимальной сложности ИС приводит
к необходимости многократного по­
следовательного использования от­
дельных устройств измерительного
тракта, а следовательно, к приме­
нению ИС параллельно-последова­
тельного действия, которые носят
также название м н о г о т о ч е ч н ы х
ИС. Работа таких ИС основывается
на принципе квантования измеряе­
мых непрерывных величин по вре­
мени (см. гл. 5).
Для согласования частей изме­
рительного тракта, работающих по
параллельному и последовательно­
му принципам действия, в таких ИС
применяются коммутаторы. Поэто­
му иногда подобного рода системы
называются также ИС с коммута
торами.
Остановимся кратко на основ­
ных структурах многоточечных ИС
(рис. 12-1). При относительно не­
большом количестве однородных по
144
физической природе источников ин­
формации (/г<100) обычно исполь­
зуются одноступенчатые ИС (рис.
12-1,а) Количество ступеней струк­
туры ИС определяется количеством
последовательно расположенных уз­
лов, в которых производится изме­
нение числа информационных кана­
лов в структуре ИС. Нужно заме­
тить, что в этой структурной схеме
после аналого-цифрового преобразо­
вания кодоимпульсный сигнал мо­
жет передаваться параллельно или
последовательно. Но и в том и в дру­
гом случае будем считать, что ин­
формационный
канал—один,
и,
следовательно, это обстоятельство
не влияет на определение количест­
ва ступеней системы.
Если количество измеряемых ве­
личии велико (п> 100), то находят
применение двух- и трехступенча­
тые ИС (рис. 12-1Д в). В ряде слу­
чаев оказывается полезным (напри­
мер, в связи с уменьшением длины
соединительных линий) использова­
ние магистрального соединения, от­
меченного на рис. 12-1,6, в буквой
М. Измерительные системы с коли­
чеством ступеней, превышающим
три, встречаются относительно ред­
к о — при большом количестве изме-.
ряемых величин (/г>5000—10 000)
и разнородной их физической при
роде.
Выбор
количества
ступеней
в структуре ИС определяется необ
ходимостью обеспечить заданные
быстродействие и точность (об этом
несколько подробнее будет гово­
риться в следующем параграфе)
повысить надежность работы (пу
тем
резервирования), упростить
эксплуатацию.
Немаловажное значение при вы
боре структуры ИС имеет также
возможность (при использовании
двух- и трехступенчатых ИС) отно
сительно просто наращивать коли­
чество измеряемых параметров, вво­
дя дополнительные блоки первичных
коммутаторов и АЦП.
На рис. 12-1 не показаны блоки
управления, блоки памяти которые
Р и с. 12-1. И зм ери тельн ы е систем ы .
а — одноступенчатая; б — двухступенчатая; в — трехступенчатая; М — магистральный канал.
В случае, когда ИС работаетсовместно с цифровыми вычисли­
тельными машинами, ряд функцииуправления системой можно возло­
жить на них.
Обобщая
сказанное,
можно,
прийти к достаточной для наших
целей классификации многоточеч-
необходимы в случае, если ИС
должна выдавать измерительную
информацию не в темпе ее получе­
ния (не в реальном времени прове­
дения измерительного эксперимен­
та), а также другие функциональ­
ные блоки, необходимые для обес­
печения работы ИС (см. рис. 1-1).
Таблица
12-1
Классификация многоточечных ИС
Классификационный признак
К о л и ч еств о ступ ен ей стр ук­
туры
П осл ед о в а тел ь н о сть работы
В ы дача
измерительной ин­
формации
П рим еняем ы е соедин ен ия
Подклассы
1
^2
Ж естк о запрограм ированная
Н еп оср ед ств ен н о в пр оц ессе
эксп ери м ен та
М агистральны е
А др есн ая
С пром еж уточны м зап ом и ­
нанием
Радиальны е
ных ИС (табл 12-1). Количество
разновидностей таких ИС очень ве­
лико, и помимо основных типов,
определяемых признаками табл.
12-1, они различаются по видам и
параметрам
входных
сигналов
(в том числе по виду модуляции)
по типам коммутаторов, АЦП и т. п
Естественно в дальнейшем ограни
читься иллюстрацией лишь неболь­
шого количества разновидностей
ИС, учитывая также то обстоятель­
ство, что хмы будем вынуждены об­
ращаться к ним при рассмотрении
контрольно-измерительных систем
(см. ч. 3)
12-2. КОММУТАТОРЫ ИС
а) Основные типы коммутаторов
и их характеристики
Основное назначение коммутаторов —
•образование между блоками ИС соединений,
обеспечивающих
прохождение
сигналов
в заданных направлениях. Если говорить
о коммутаторах, предназначенных для рабо­
ты в измерительной части многоточечных
ИС (в информационном канале), то их
основное назначение — связывать между
собой участки, работающие в параллельном
и последовательном режимах. Особый
интерес представляют измерительные ком
•мутаторы, служащие для переключения ^
аналоговых измерительных сигналов, так '
•.как к ним предъявляются требования вы
полнения коммутационных операций с за
.данными метрологическими характеристика
ми Поэтому в основном далее будем рас­
сматривать измерительные коммутаторы ИС
[Л. 12-1].
Измерительные коммутаторы характе­
ризуются следующими параметрами:
погрешностью коэффициента передачи
аналогового сигнала
*
Апых
о = ---- «^вх
~л------- *
где А пх и Лвых — соответственно входной
и выходной сигналы коммутатора;
быстродействием или скоростью комму
тации; для коммутаторов эти последние
параметры оцениваются количеством пере­
ключений в секунду (коммутаторы цикли
ческого действия) или временем, необходи
мым для выполнения одной коммутацион
ной операции;
числом коммутируемых сигналов — вхо­
дов я, числом выходов т. и числом одно­
временно образуемых каналов k\ в боль­
шинстве случаев n>m , /zs^m, наибольшее
.распространение имеют измерительные ком­
мутаторы с т= & =1;
кол и ч еством к о м м ути р ую щ и х N и у п р а в ­
л я ю щ и х М эл ем ен т о в к о м м у т а т о р а ; обы чно
при проек ти рован и и к о м м у т а т о р о в с т р ем я т ­
ся к ум ен ь ш ен и ю i V n i l l ;
сроком службы, исчисляемым обычно
пр едел ьн ы м количеством операций переклю­
чения, при к о т о р о м основные характеристи­
ки к о м м у т а т о р а остаются неизменными.
Коммутаторы различаются также после­
довательностью (программой) переключения
входных сигналов Так, циклическая после­
довательность подключения всех входных
сигналов к одному выходу выглядит ^следую­
щим образом: . . . —)1—2— . . . —п—Ц— . . .
(здесь 1, .. ., п—порядковый номер входа
коммутатора). При неравномерном переклю­
чении порядок может например, быть сле­
дующим:
1 — 1—2—2—2—3—5—
При
адресной работе коммутатора последова­
тельность переключения заранее, как прави­
ло, не определяется.
Коммутаторы можно разделить на
аппаратные, объединенные в конструктивно
единое устройство '(типа шаговых искате­
лей, многократных координатных соедини­
телей, электронно-лучевых распределителей)
и схемные, собираемые из отдельных эле­
ментов (релейных, ферритовых, полупро­
водниковых и др.). В этой главе мы оста­
новимся на рассмотрении схемных комму­
таторов.
В зависимости от типа используемых
в коммутаторе коммутационных элементов
различаются контактные и бесконтактные
коммутаторы.
При циклической программе различают
шаговый (перемещение производится Только
•при подаче управляющего сигнала) старт•стопный (а с и н х р о н н о е переключение, начцная от за п у ск а ю щ е г о с и гн а л а д о конца цик­
л а ) и непреры вны й (обы чн о у вращающихся
л ам ел ьн ы х к о м м у т а т о р о в ) р еж и м ы работы
ком м утатора.
б)
К ом м ут ац и он н ы е эл ем ен ты
М о ж н о принять, что л ю б о й к о м м у т а ­
ци онны й эл ем ен т с о ст о и т и з клю ча и у п р а в ­
л я ю щ его р ел ей н о г о э л ем ен т а . П о д клю чом
п о н и м а ет ся д в у х п о л ю сн ы й эл ем ен т эл ек т р и ­
ческой ц еп и , котор ы й м о ж е т н а х о д и т ь ся
в со ст о я н и и «за м к н у т о » , к о г д а п р о в о д и ­
м ость к л ю ча вел и к а, и л и « р а зо м к н у т о » , к о г ­
д а п р о в о д и м о ст ь м ал а.
В к ач ест в е кл ю чей и с п о л ь зу ю т ся э л е ­
менты , о б л а д а ю щ и е явн о вы р аж ен н ы м и н е­
линейны м и вольт-ам п ер ны м и х а р а к т ер и с т и ­
кам и. П е р е х о д ключа и з о д н о г о со ст о я н и я
в д р у г о е вы п олн яется п о д в о зд ей ст в и ем
у п р а в л я ю щ его р ел ей н ого эл ем ен та.
Н а и б о л е е в а ж н ы м и расчетны м и Х арак­
т ер и сти к ам и кл ю чей д л я эл ек т р и ч еск и х си г ­
н ал ов являю тся :
соп р от и в л ен и е или п р о в о д и м о ст ь в з а ­
м к нутом и р а зо м к н у т о м с о с т о я н и я х ( г 3 или
*/3, z p или */р); ш и р ок о и сп о л ь зу ется
от н ош ен и е z p/ z 3, к о т о р о е н осит н а з Вание
к о м м у т а ц и о н н о го к о эф ф и ц и ен т а [Л . 1$-3];
собственные (паразитные) э. д . с. клю ­
ер и е 3, 'Возникающие в ком м ути р уем ой
цепи п о д действием управляющих сигн алов,
собственных шумов, парази тн ы х н аводок ,
контактных разностей потенциалов и пр.;
динамический диапазон, равный от н о­
шению максимальной и минимальной ам п ли­
туд ВХОДНОГО С И Г Н а л а , /)д = Лвх.максА4вх.млн;
максимальная частота переключений
или время перехода ключа из одного состоя
ния в другое;
предельное количество переключений, до
которого характеристики ключей остаются
в пределах нормального состояния. *
Идеальным ключом был бы ключ, у ко­
торого 2р = оо, 23=0, ер=е3=0. Наиболее
близки к таким идеальным ключам по своим
параметрам контактные ключи, у которых
zp='108-f-1012 Ом; z3=0,005-^0,1 Ом (ниж­
ний п р ед ел z3 достигается, например, бла
го д а р я золочению контактов или параллель­
ному включению нескольких контактных
п а р ), собственные з. д. с. имеют значения
порядка долей и единиц микровольт
ча
^107. ,
У большинства контактных эл ем ен тов ,
управляемых электромагнитными м е х а н и з­
мами (электромагнитные и п ол яри зованн ы е
реле, шаговые искатели и т. п .) п р едельн ая
скорость переключений с о ст а в л я ет о т 10 д о
1000 переключений в с ек у н д у , п р ед ел ь н ое
количество переклю чений не превы ш ает
106—107 а м ощ н ость , н е о б х о д и м а я д л я
управления клю чом , п ор я дк а 0 ,1 — ’10 Вт.
Н а зв а н н ы е скорость переключения, п р е­
д ел ь н о е количество переключений и м о щ ­
ность управления не удовлетворяют во м н о­
г и х случаях условиям эк сп л уатац и и к о м м у ­
тато р о в ИС. Поэтому в к о м м у т а т о р а х в с е
большее применение н а х о д я т беск онтактны е
ключи, ртутные к о м м у ти р ую щ и е элем енты
[Л 12-3, 12-6] и м агн и тоуп р авл яем ы е к он­
такты (Л 12-5] Р тутн ы е ком м ути рую щ и е
элементы /при от н о си т ел ьн о невы соком бы ­
ст р о д ей ст в и и (д о 100 переклю чений в с е ­
к у н д у ) о б л а д а ю т больш им ср ок ом сл у ж б ы
(д о
109—1012 п ер ек л ю ч ен и й ). М агн и то­
уп р а в л я ем ы е контакты им ею т срок сл уж бы
порядка
10s перекл ю ч ен ий , бы стр од ей ст ­
в и е д о 3000 (а в от д ел ь н ы х с л у ч а я х д о
•10 0 0 0 ) переклю чений в сек ун д у, м ощ н ость
у п р а в л ен и я — п о р я д к а д ес я т ы х д о л е й в атта.
•М агнитоуправляем ы е контакты в ы п уск аю т­
с я отеч ествен н ой пр ом ы ш ленностью и д о ­
вольно ш и р ок о и сп о л ь зу ю т ся в И С . М о ж н о
п р ед п о л а га т ь , что в ск о р ом в р ем ен и п оя в я т ­
ся к ом м утац и он н ы е элем ен ты с бы стр од ей ­
стви ем д о 105 переклю чений
в с ек у н д у ,
ср о к о м сл у ж б ы п ор я д к а 1 0 12 переклю чений
и н ебол ьш ой м ощ ностью управления..
Д л я п ост р о ен и я б еск он так тн ы х к о м м у ­
т а т о р о в И С п оп ол ь зую тся элем ен ты , у к о ­
т о р ы х п о д в о зд ей ств и ем внеш н его у п р а в ­
л я ю щ его в о зд ей ст в и я р езк о и зм ен я ется с о ­
п р оти в л ен и е. И зв ест н о прим енение в к о м ­
м у т а т о р а х м агнитны х м атер и ал ов , ф о т о р е ­
зи ст о р о в , элек трон н ы х л ам п и эл ем ен тов
с нелинейны ми ем костям и, г а зо т р о н о в и ти­
р ат р о н о в , пол упроводн и к овы х
диодов
и
т р а н зи ст о р о в и т. п.
К ак пр ави л о, беск онтактны е п ер ек л ю ­
чаю щ и е элем енты
им ею т б о л ь ш о й с р о к
с л у ж б ы , вы сокое бы стр од ей ст в и е, т р е б у ю т
н ебол ь ш ой м ощ ности уп р ав л ен и я , н о, в с в о ю
оч ер ед ь , и отн осител ьно небол ьш ой к о м м у ­
тац и он н ы й к оэф ф иц иент, меньш ий д и н а м и ­
чески й д и а п а зо н , больш ие зн ачен и я п а р а зи т ­
ных э. д . с., к р ом е того, они в б о л ь ш ей
степ ен и , чем контактны е элем ен ты , п о д в е р ­
ж ены вли яни ю внеш них в озм ущ ен и й ; п р и
п р им енени и беск он так тн ы х эл ем ен тов в с т р е ­
чаю тся т р у д н о ст и в р а зд ел ен и и и н ф ор м а­
ционн ы х м уп р ав л я ю щ и х ц еп ей . П о ж а л у й ,
наилучш им и являю тся ключи н а п о л у п р о ­
в одни ковы х д и о д а х и т р а н зи ст о р а х . О ни
хар ак т ер и зую т ся сл едую щ и м и данн ы м и: 2з.
от 2 д о 100 О м, 2Р о т 1 д о 100 М О м , с о б ­
ственны е ш ум ы п ор я д к а 1— 100 м кВ , у т еч ­
ка от цепей уп р ав л ен и я п ор я дк а 10 мкВ,.
бы стр одей ств и е 105— 10е переключений в с е ­
к ун д у.
Л учш и е
данн ы е
им ею т
ключи,,
вы полненны е на пол евы х т р ан зи стор ах.
Н аи б о л ее
употреби тельн ы е
ключевы е
схем ы
на п ол уп р ов одн и к ов ы х д и о д а х
и
т р а н зи ст о р а х приведены в [Л . 12-1, 12-2].
в)
П огреш н ости к ом м утатор ов
Р ассм от р и м
погр еш н ости ,
в ы зв ан н ы е
влиянием ключевы х эл ем ен тов , в о д н о с т у ­
пенчатом к о м м утат ор е с п в х о д а м и и одним*
в ы ход ом ( т = 1 ) .
Б у д ем различать сл ед ую щ и е со ст а в л я ю ­
щ ие погреш н остей : •
п огр еш н ости , о б усл ов л ен н ы е отличием
соп роти вл ен и й гц и z p со о тв ет ст в ен н о от
н ул я и беск он ечн ости ;
п огр еш н ость от собст в ен н ы х э. д . с.
ключей;
п огр еш н ость и з -з а вари аци и z3 и zp.
О стан ов и м ся на оценк е влияния от л и ­
чия сопроти влен ий клю чей z 3 и zp от и д е ­
альны х зн ачени й (0 и оо) в р а м к а х л и н ей ­
н ой м одел и схем ы . О граничимся с л у ч а ем ,
к о г д а в се ключи к ом м утат ор а им ею т о д и ­
нак овы е соп р оти в л ен и я z3= c o n s t =т^0 и z p =
= c o n st =5^=оо, соп роти влен и е нагрузк и z H= o o .
Е сл и к ом м утат ор п р едн азн ач ен д л я р а ­
боты с генераторн ы м и датчи кам и (ри с. 12-2).,
им ею щ им и внутр ен нее соп р оти в л ен и е z 4=
= z 2= . . . = Z t = , . . = z n = z B и э . д . с. E i ,
т о при зам к н ут ом / - м ключе н а п р я ж ен и е н а
в ы х о д е к ом м утат ор а
п
2 E ilf i
£цых ==
п
*
i—\
где
t/* = l / ( z B-f-zp) — п р ов од и м ост ь
разо­
м кнуты х ц еп ей д л я в с е х t, к р ом е /, д л я к о ­
т о р ого
i/t = l / ( z B+ z 3) — п р ов од и м ост ь
за *
м к нутой цепи .
\
уменьшения этои погрешности состоит в пе­
реходе на схему двухступенчатого комму­
татора, при котором п входов разделяются
на р групп по q датчиков (рис. 12-3). Пол
ная погрешность /передачи Ej в этом случае
будет равна [Л. 12-1]:
5=
X1+ -
q(p
+ (q + 0 zp
1)*з [ И
(q— 1)(гв+ г а) I
+
ZP
+
qzP \
~\-(q—0(2в+2з) ( i+ 'b+ z P J +
Рис. 12-2. Схема одноступенчатого комму­
татора с генераторными датчиками.
Это выражение может быть представ­
лено как
*
Z D + > 3
Z B +
^
ZP
^
^
1
--вых _________________
i=Uj
--j
(П—'!) --- :----+ -------Z B +
_ r_ —
ZP
z b + *
z 3
Ej
. 1> . jn ± _ 1И£в+_£з)
Zв ~
+
Г1 i
2
i—1, /=£/
гп+ Zp
1
1)
S
-
WiEi+Wt
i=1,
Погрешность, вносимая коммутатором
в этом случае, будет определяться по фор­
муле
2
1—Wj —Wt
Исходя из этого выражения, мож^о
при заданных б, п и значениях г в, г3, г р
определить q и р.
В [Л. 12-7] приведены материалы по
выбору количества /групп в зависимости от
характеристик датчиков и схем коммутации.
Погрешность коммутатора, изображенного
на рис. 12-2, из-за наличия собственных
э. д. с. ключей, равных е» (/= ’1, 2, ..., пу
i¥=j) и ej, может быть определена по фор­
муле
При использовании полупроводниковых
ключей нужно учитывать остаточные токн
разомкнутых ключей и остаточные напря­
жения на замкнутых ключах (Л. 12-2].
ZP
L + (2»+ г3)(л—1)J (
+ q(n — 1) (2 В+ z3)
i = l. i±l
(Л—1)я*
Таким образом суммарная погрешность
будет определяться, «во-первых, значением
коэффициента /передачи Wj э. д. с. Ej, а вовторых, влиянием £f, зависящим от коэф­
фициента /передачи W{.
В .ряде случаев погрешность, связанная
величиной Wi, может превышать задан­
ное значение. Один из схемных способов
Рассмотрим погрешности, вносимые ттри
коммутации
параметрических
датчиков,
имеющих сопротивления Z\t .... z n . (рис.
12-4). Выходное сопротивление эквивалент­
ной схемы коммутатора
X—
*1
г»
1
1
1
;— Ь*• • + zi
2 "Г
-Г"— I"*• •
zi х
~г 2Р
При равенстве сопротивлений датчиков
1
2вых = _ [ _____ а — 1
z] + 2з zi Чг z р
(при / = 1, 2, ... , /г, I ф /).
Погрешность .в передаче значения Zj на
выход коммутатора
1
~ 1—
»ZJ
(/г — 1) г,-
+.2з
Zt + 2Р
Первый член в знаменателе этого выра­
жения определяет погрешность, вносимую
сопротивлением замкнутого ключа, а вто­
рой— /погрешность от шунтирования подсо­
единенного к выходу датчика отключенны­
ми датчиками.
Весьма детально статические и динами
ческие погрешности, надежность и эффек­
тивность коммутаторов с коммутационными
элементами, включенными последовательно
в цепь датчика и параллельно этой цепи,
рассмотрены (в ,[Л. 12-'18]. В этой работе по­
казано, что коммутаторы с закорачиванием
невыбранных каналов с помощью ключей,
включенных параллельно цепи датчика, не­
целесообразно применять при относительно
большом числе коммутируемых датчиков.
Там же рассмотрен коммутатор, названный
авторами компенсационным, «в котором при­
менено схемное решение, направленное на
уменьшение статической погрешности ком­
мутационных 'элементов коммутатора ггри
применении его с преобразователем напря­
жения 1в код.
Приведенные эквивалентные схемы ком­
мутаторов пригодны при приближенных
расчетах. Повышенные требования к точно­
сти передачи сигналов постоянного тока
требуют учета токов утечек, случайного ха­
рактера собственных э. д. с., что приводит
к усложнению эквивалентной схемы комму­
таторов. Работа быстродействующего ком­
мутатора или коммутатора, предназначен­
ного для сигналов повышенной частоты,
требует учета комплексных сопротивлений
коммутируемых цепей и взаимных связей.
Решение этих задач выполняется, методами
Z6b!X
Рис. 12-4. Схема односту­
пенчатого
коммутатора
с параметрическими датчи­
ками.
теории электрических цепей и теории веро­
ятностей.
Следует отметить, что при многоточеч­
ных измерениях в полную погрешность
измерения погрешность коммутатора может
входить косвенный образом и ее влияние
может быть существенно уменьшено схем­
ными методами. Так, например, размещение
коммутационных элементов в -цепи компен­
сации (по напряжению или по току) потен­
циометров, в измерительных диагоналях
уравновешиваемых мостовых йли •многомо­
стовых [Л. ,12-4] цепей значительно умень­
шает влияние коммутационных элементов
на погрешность измерения. Поэтому в мно­
готочечных ИС необходимо производить
анализ погрешностей, охватывающий изме­
рительные цепи и коммутаторы.
г) Построение схемных коммутаторов
Остановимся на определении количе­
ства коммутирующих элементов N и эле­
ментов схем управления М в зависимости
от типа коммутаторов ИС.
•Минимальное количество коммутирую­
щих элементов N, -равное количеству ком­
мутируемых сигналов п, получается в одно­
ступенчатом коммутаторе, в котором каж­
дый вход соединяется с одним выходом. По
существу, именно это обстоятельство пред­
определяет преимущественное применение
таких коммутаторов для измерительных це­
пей. Какое количество элементов схем
управления необходимо для одноступенча­
того схемного коммутатора? Если релейные
элементы,
управляющие срабатыванием
ключей, представляют собой двухполюсни­
ки, то возможны варианты одностороннего
(рис. 12-5) и двустороннего, или матричного
(рис. ,12^6) управления релейными элемен­
тами. Обе эти схемы пригодны для адрес­
ного (соответственно одно- или двухадрес-
Рис. 12-5. Схема одностороннего управле­
ния коммутационными элементами.
ного) и циклического управления. При при­
менении -матричного управления для более
четкого разделения сигналов последователь­
но с каждым релейным элементом часто
устанавливаются разделительные диоды (на
рис. 12-6 не показаны). Если при двусто­
роннем управлении используется квадрат­
ная матрица, то число ее входов М= 2 VTT,
тде п — общее число коммутируемых точек.
При п > 4 п > 2 V п выигрыш в количестве
элементов управления при применении ма­
тричного управления можно оценить отно­
шением nj2 V п — V а / 2, он особенно ощу­
тим при больших п. (Положим, я=1100, тог­
да это отношение будет равно 5.) Исполь­
зование матричного управления позволяет
также существенно упростить дешифрато­
ры Д ш х и Дшу.
Если снять ограничение на удовлетво­
рение требования минимального количества
ключей и поставить задачу создания схемы
коммутатора с минимальным количеством
устройств управления, то можно прийти
[Л. 12-2, 12-3] к многоступенчатому пира­
мидальному коммутатору с двоичным
управлением. На рис. 12-7 показан двух­
ступенчатый ' коммутатор, предназначенный
для .коммутации четырех входных сигналов
1—1 Количество ступеней в таких коммута­
торах равно количеству двоичных разрядов,
содержащихся в общем числе коммутируе­
мых сигналов; общее количество ключей
равно N=2 (л—Л), а ввиду использования
параллельного управления релейными уст­
ройствами одной ступени количество двоич­
ных элементов схем управления будет
-равно M = log2 п- Если сравнить пирами­
дальную двоичную * и матричную схемы
управления по количеству элементов, то их
отношение равно 2 V n/log2 я. Например,
при /г=/64 количество элементов управления
уменьшится для пирамидальной схемы при­
мерно втрое, но количество ключей увели­
чится примерно вдвое. Ввиду резкого уве­
личения ключей пирамидальные схемы почти
не находят применения в измерительных
коммутаторах.
При двуступенчатых недвоичных ком­
мутаторах п коммутируемых сигналов раз­
биваются на р групп, в каждой из которых
0/
Рис.
Рис. 12-7. Схема пирамидального двоично­
го коммутатора.
коммутируются q сигналов (n=pq, обычно
q>p). Тогда количество ключей N = p ( q + 1)
(в каждой измерительной цепи 'последова­
тельно будут включаться два ключа), а ко­
личество элементов управления (при рдностороннем управлении ступенями) М =
= q+p. Количество управляющих элементов
•может быть уменьшено при применении
(обычно на первой ступени) матричного
управления, одновременно обслуживающего
все р групп
В И С может возникнуть необходимость
создания коммутаторов, обеспечивающих
соединение любого из п входов с . любым
из т выходов. Если эти соединения можно
выполнять поочередно путем организации
в каждый момент одного канала коммута­
ции (/г =1), то применима схема «коммута­
тор— обращенный коммутатор». Особенно
часто она применяется в сочетании с АЦП
и индивидуальными устройствами цифровой
индикации (рис. 12-8).
До сих пор рассматривались коммута­
торы у которых .в процессе коммутации
организовывался один канал .(k ='\). Уни­
версальный лолнодоступный коммутатор
должен позволять организовать соединение
любого сочетания из п входов с любым
сочетанием из т выходов; естественно, что
Рис. 12-8. Схема полнодоступного ком­
мутатора с аналого-цифровым преобра­
зователем.
12-9. Схема полнодоступного
матричного коммутатора.
в этом случае k ^ \ . Очевидный способ по­
строения полнодоступного коммутатора свя­
зан с применением матричной схемы
(рис* ’12-9). На рисунке не показаны ре­
лейные элементы; управлять ими рацио­
нальнее всего с помощью также матричного
устройства. Нужно заметить, что в таком
устройстве количество ключей N=nm, ко?
личество устройств управления M —n + m t
а в каждом канале (в случае п >т может
быть организовано k = m каналов) будет
расположен один ключ. Анализ при задан­
ных п, т и k схем полнодоступных комму­
таторов, выполненных на реле, шаговых
искателях и многократных координатных
соединителях, проведен в (Л. 12-3].
Перейдем к рассмотрению некоторых
вариантов схемных измерительных коммута­
торов. Выбранные примеры иллюстрируют
высказанные ранее основные положения, но
в число примеров включены также мало­
распространенные коммутаторы, показываю­
щие в какой-то степени разнообразие воз­
можных технических решений.
д) Коммутаторы с контактными ключами
Релейный матричный коммутатор, йрименявшийся в качестве первой ступени ком­
мутатора КД-256 многоточечной системы
ДИУ-256 [Л. 12-8], работает со скоростью
16 переключений в секунду. Он выполнен
на реле РЭС-6 с полупроводниковой схемой
управления <(рис. 12-10). В нем обеспечи­
вается матричное управление двумя груп­
пами, каждая из которых состоит из 32 ре­
ле. Дешифраторы
—Дш2 (по 16 точек)
работают со сдвигом по фазе на половину
такта, что позволяет увеличить быстродей­
ствие благодаря упреждающей относитель­
но импульсов с Дш3 (на четыре точки) по­
даче импульсов на реле.
•На рис. 12-1.1 приведена структурная
схема коммутатора с магнитоуправляемыми
контактами (МК) на 256 точек [Л. 12-9].
Коммутатор—двухступенчатый, первая сту­
пень содержит ,16 коммутаторов, каждый
Рис. 12-11. Структурная схема коммутатора на 256 точек на магнитоуправляемых
контактах.
из которых 'содержит 16 реле с МК. Вторая
ступень — групповой «коммутатор состоит из
16 ключей, поочередно подключающих вы­
ход одного из коммутаторов первой ступени
к общему выходу Ключи
16' служат
Для отключения питания обмоток МК
{с целью уменьшения мощности источника
питания обмоток). Вторая ступень имеет
■скорость переключения f2=\6f\. Общая ско­
рость коммутации равна 256-16=4196 пе­
реключений в секунду. Этот коммутатор
был разработан для индикации дискретных
сигналов на электронно-лучевой трубке.
В [Л. 12-9] приводятся следующие данные
этого коммутатора:
Минимальные коммутируемые токи,
мкА .
Максимальные коммутируемые токи,
мА . .
Погрешность коммутации до 3% при
сопротивлении нагрузки, Ом
1
60
10е
Имеются коммутаторы с МК, в кото­
рых управление контактами производится
с помощью магнитного поля взаимно пер­
пендикулярных катушек (64 МК, .время
включения и выключения контактов от 0,8
до 3 мс, обеспечивается адресное управле­
ние {Л. 12-5, 12-10]) или вращающегося, по­
стоянного магнита (20—30 МК, около ,10 пе­
реключений в секунду [Л. 12-5]).
'Известны коммутаторы, в которых име­
ются встроенные схемы самоконтроля (см.,
например, [Л. 12-2]), позволяющие опреде­
лить номер неисправного реле, а также
сбои, выражающиеся в одновременном сра­
батывании двух реле; при адресном управ­
лении в ряде случаев целесообразно под­
тверждение срабатывания заданного реле
и т. п.
е) Коммутаторы с бесконтактными
ключами
‘Наиболее -трудно создать измеритель­
ные коммутаторы с бесконтактными ключа­
ми, предназначенные для переключения сиг­
налов низкого уровня и имеющие приемле­
мые для практики погрешности. В этих слу­
чаях .приходится принимать специальные
меры к уменьшению рлияния остаточных
напряжений и токов ключей, а также цепей
управления ,на коммутируемые цепи. В тран­
зисторном коммутаторе сигналов низкого
уровня «(рис. 12-12), предназначенном для
работы с термопарами (сигнал от 10 до
100 мВ), устраняется гальваническая связь
между цепями управления и коммутации
благодаря
применению
разделительных
трансформаторов Tpi—7pie и раздельных
источников питания генераторов управляю­
щего напряжения ГУН; влияние остаточных
токов в разомкнутых ключах уменьшается
инверсным включением транзисторов и при­
менением шунтирующих сопротивлений Rm
(1порядка нескольких МОм), а остаточных
напряжений — путем «подбора значений со­
противлений Roi и Яб2 (рис. 12-13). Генера­
тор управляющего напряжения до прихода
импульса через трансформатор Тр (см.
рис.д 12-12) подает в цепь управления на­
пряжение обратной полярности. Заметим,
что упрощение цепей управления транзи­
сторными ключами может быть достигнуто
путем использования туннельных диодоз
Рис. 12-12. Транзисторный коммутатор
сигналов низкого уровня.
[Л. '12-17]. Управление коммутатором вы­
полнено <по одноступенчатой схеме. Преду­
смотрена .возможность одновременного пе­
реключения двух входов; коммутатор раз­
бивается при этом .на две группы и одно­
временно переключаются 1-й и 9-й ключи,
2-й и 10-й и т. д. Скорость переключения
входов может изменяться от 100 до 12 000
переключений в секунду. Основная погреш­
ность коммутатора не превышает 50 мкВ.
Рис. 12-13. Схема транзисторно­
го ключа.
Решение вопросов развязки цепей
управления и коммутации а также умень­
шения влияния остаточных токов и напря­
жений существенно упрощается при по­
строении ключей на полевых транзисторах
[Л. 12-111—г12-13]. Это объясняется тем, что
полевые транзисторы имеют высокое входное
сопротивление (свыше 107 Ом) и (практи­
чески равные нулю значения остаточных
напряжений и токов. В (Л. 12-12] приводит­
ся описание ключей, выполненных на инте­
гральных схемах типа «К» на МОП-транзисторах 8ПМД6; схемы управления ключа
ми (счетчики импульсов и дешифраторы)
выполнены на интегральных схемах 8ПМД4
и 8ПМД16. Ключ, выполненный на двух
полевых транзисторах (рис. 12-14), может
коммутировать двуполяриые сигналы. Па­
раметры этого ключа при управлении им
от
потенциального
триггера
8ПМД4
[Л. ,12-42]: Гз=2.'103 Ом, гР= 4-108 Ом, U0=
=0, /о~0, динамический диапазон —5 В ^ '
^ . 0 в х ^ З .В, Ср ^ 5 пФ. Для уменьшения
влияния относительно большого сопротив­
ления ключа в замкнутом состоянии на его
выходе используется согласующий уоили
тель, выполненный на элементах 8ПМД6,
с коэффициентом усиления, близким к еди
нице, и входным сопротивлением более
107 Ом. Погрешность коммутации сигналов
постоянного тока зависит от количества
коммутируемых сигналов и частоты комму
тирующего сигнала (при частоте коммута
ции порядка нескольких терц погрешность
коммутации восьми сигналов — около 0,7%
16 сигналов — около 1,4%, 32 — около 2,9%
при частоте коммутации 1000 Гц эта по­
грешность составляет соответственно для
восьми сигналов около 9%, 16 -сигналов —
около 19% 32 — около 38%). Мы вернемся
к обсуждению некоторых особенностей ком
мутации сигналов низкого уровня с по­
мощью полевых транзисторов несколько
позже, при рассмотрении ИС в целом.'
Неплохие результаты [Л. 12-13] дает
использование в качестве ключей интеграль­
ных прерывателей типа ИП'1, обладающих
относительно высокими метрологическими
х ар актер истик а ми.
.Материал по коммутаторам будет по­
полняться в дальнейшем, так как при рас-
Рис. 12-14. Схема коммутационного эле­
мента на полевых транзисторах.
смотрении ИИС мы зачастую будем вы­
нуждены обращаться к используемым в них
коммутаторам. Некоторые сведения о ком­
мутаторах, .выпускаемых п рибо ростр оительной промышленностью, имеются в ч. 4.
К сожалению, нет возможности остановить­
ся на результатах 'многочисленных разрабо­
ток, проводимых с нелыо создания комму
таторов, обладающих, например, адапта­
цией к скорости изменения измеряемых ве­
личин (Л. 12-44], осуществляющих одновре­
менно с коммутацией усиление сигналов
[Л. 12-15], коммутаторов с управлением от
резонансных элементов [Л. 12-46] и т. п.
12-3. РЕАЛИЗАЦИИ
МНОГОТОЧЕЧНЫХ' ИС
а) Общие требования к многоточечным ИС
Арсенал многоточечных ИС в на­
стоящее время многообразен, но
несмотря на это продолжается соз­
дание все новых ИС. Конечно, это
отчасти объясняется
различием
в требованиях, предъявляемых к ИС
в зависимости от условий измери­
тельного эксперимента, в котором
они должны работать. Но в первую
очередь это объясняется большим
разнообразием величин, подлежа­
щих измерению Если даже ограни­
читься обзором только динамиче­
ского и частотного диапазонов,
а также диапазона выходных со­
противлений электрических первич­
ных измерительных преобразовате­
лей (датчиков) [Л. 12-20], то ока­
жется, что эти диапазоны очень ши­
роки. На рис. 12-15 представлены
ориентировочные области выходных
сигналов (напряжений), выходных
сопротивлений и инерционности сле­
дующих датчиков.
По уровню выходного напряже­
ния датчики можно условно под­
разделить на такие группы:
с весьма низким уровнем сигна­
ла (менее 5-10-5 В);
с низким уровнем сигнала (от
5-10-5 до 10-3 В);
Рис. 12-15. Основные параметры датчиков.
/ — датчики сопротивления — п ар ам ет р и ч еск и е ( / - / — реостатные; 1-2 — тснзорезисторы; 1-3 — индуктивны е; 1-4 — индукц и он н ы е; 1-5 — датч и к и , основанные на использо­
вании вихревы х токов; 1-6 — м агни тоуп р уги е; 1-7 — емкостные); 2 — термоэлектриче­
ские д атчики; 3 — ф отоэл ек тр и ч еск и е датчики; 4 — счетчики элементарных частиц;
5 —эл ек т р охи м и ч еск и е датчи к и ;
— дат ч и к и , осн ов ан н ы е на эффекте Холла; 7 —
п ь езоэл ек т р и ч еск и е д ат ч и к и .
6
со средним уровнем сигнала (от
Ю-з до 1 В);
с высоким уровнем сигнала (бо­
лее 1 В).
Наиболее распространены датчи­
ки со средним уровнем сигнала
(примерно около 60% всех типов
датчиков). Датчики, имеющие низ­
кий и высокий уровни сигнала, рас­
пространены примерно одинаково
(примерно по 15% типов).
Динамический диапазон выход­
ных сигналов у большинства датчи­
ков не превышает 100 дБ.
Частотный диапазон большинст­
ва датчиков лежит в диапазоне от
10 до 104 Гц. В отношении погреш­
ностей датчиков следует отметить,
что большинство датчиков имеют
погрешности преобразования при­
мерно от 0,1 до 0,5%.
Нужно отметить, что наиболее
распространенные параметры сигна­
лов определяют и наибольшее коли­
чество ИС, работающих в этих диа­
пазонах параметров.
Очевидно, что приближающаяся
к универсальной система должна
обеспечить измерение экстремаль­
ных параметров, которые сводятся
примерно к следующим:
1) наибольшее быстродействие
определяется наименьшей инерцион­
ностью датчиков и составляет при­
мерно 102 измерений в секунду;
2) чувствительность
порядка
10-6 В;
3) сопротивление 1015—10-1 Ом;
4) динамический диапазон сиг­
налов порядка 106;
5) погрешность измерения не
ниже 0,1%.
Необходимо заметить, что при
работе ИС с сигналами, поступаю­
щими непосредственно от исследуе­
мого объекта, и в некоторых специ­
фических случаях можно ожидать,
что потребуется выполнять измере­
ние с более высокой чувствительно­
стью и меньшей погрешностью. Но
создание ИС, удовлетворяющей да­
же приведенным требованиям в со­
вокупности, на уровне современных
достижений ИИТ весьма затрудне156
но. Единственный путь, позволяю­
щий приблизиться к созданию уни­
версальной многоточечной ИС, за­
ключается в комплектовании систе­
мы из набора коммутаторов, анало­
го-цифровых
преобразователей*
устройств памяти, устройств согла­
сования с ВМ и устройств, обеспе­
чивающих ввод и вывод информа­
ции. По существу, в этом случае
должны быть созданы несколькоизмерительных систем, каждая иэ
которых основана на параллельно­
последовательном принципе дейст­
вия и рассчитана на совместную ра­
боту с вычислительными маши­
нами.
Именно так построены быстро­
действующая автоматическая систе­
ма обработки научной информации
[Л. 12-21] КАМАК (§ 27-3) и агрегатированная многофункциональная
измерительная система (АМИС),
создающаяся в рамках агрегатного
комплекса АСЭТ ГСП (см. гл. 28).
Структурная схема АМИС пред­
ставлена на рир. 12-16. Она преду­
сматривает наличие трех измери­
тельных каналов. Первый канал со­
держит:
релейный матричный коммута­
тор К\ на 60 точек (с возможностью
перехода на двух- и трехпроводные
схемы соединения) с быстродейст­
вием 500 переключений в секунду;
группу унифицирующих преобра­
зователей;
аналого-цифровой преобразова­
тель 1 интегрирующего типа с под­
диапазонами ±0,1, 1, 10, 100 и
500 В, с приведенной погрешностью
±0,01%, временем измерения 40 мс,
подавлением синусоидальных помех
на 120 дБ.
Второй канал содержит: вынос­
ные коммутаторы КВ и бесконтакт­
ный матричный коммутатор Къ
имеющий время переключения при­
мерно 2 мкс; групповой усилитель
(коэффициент усиления 10, 100 и
1000, погрешность примерно 0,1 —
0,2%, входное сопротивление 10—.
100 МОм, выходные сигналы ± 5 В,
2 мА, время установления выходно-
к ИМ
го напряжения 20—100 мкс), устрой­
ство аналоговой памяти и выборки
(время запоминания 900 мкс, выбор­
ки 10 мкс, погрешность ±0,1% , вы­
ходное сопротивление 1 МОм), ана­
лого-цифровой преобразователь 2
(время измерения 100 мкс, динами­
ческий диапазон ± 5 В и ± 10 В,
приведенная погрешность ±0,1 —
0,2%.).
Аналого-цифровой преобразова­
тель 3 предназначен для измерения
частотно-модулированных (1, 10„
100, 1000 кГц) сигналов и времен­
ных интервалов (1, 10, 100 мс, 1 —
10 с) с погрешностью ±0,01 %.
Кодоимпульсные сигналы с вы­
хода аналого-цифровых преобразо­
вателей после группового коммута­
тора ГК, преобразователя кода мо­
гут быть введены в вычислительную"
машину, зарегистрированы или ото­
бражены на индицирующих устрой­
ствах.
15?
Эта система в зависимости от
условий применения может комплек­
товаться не полностью. Количество
коммутаторов АЦП и других эле­
ментов может быть увеличено. Ви
димо, АМИС будет пополняться ка
налами измерения, обеспечивающи
ми большее быстродействие, чувст­
вительность и т. п.
б) Многоточечные И С для сигналов
низкого уровня
Большинство существующих и
вновь создаваемых ИС предназна­
чены для измерения сигналов от од­
нотипных датчиков. Примеров та­
ких ИС можно привести довольно
много. Остановимся на ИС, воспри­
нимающих сигналы от термопар,
термометров сопротивления и тензо­
датчиков. Эти типы датчиков широ­
ко используются в промышленности
и при проведении научных исследо­
ваний, а низкий уровень сигналов
от таких датчиков предопределяет
известные трудности в создании ИС.
Фирма Takeda R i k e n Industry Со
(Япония) выпускает серию цифро­
вых измерительных систем DACQ-2,
■отличающихся по количеству обслу­
живаемых датчиков (от 20 до 400),
скорости измерений (от 1 до 200
измерений в секунду) и набору ре­
гистрирующих устройств [Л. 12-21].
До 90% элементов этих систем —
в интегральном исполнении. Рекла­
мируемая фирмой погрешность из­
мерения равна ±0,018% текущего
значения
измеряемой
величины
плюс (или минус) значение млад­
шего разряда. Измеряются сигналы
постоянного и переменного тока и
омических сопротивлений
В ИС ДАС(^-2 (рис. 12-17) ис­
пользуются унифицирующие преоб­
разователи (см. ч. 3) на операцион­
ных усилителях, выполняющие ли­
неаризацию и преобразование изме­
нения
сопротивлений
датчиков
в электрические сигналы. В одно­
ступенчатых матричных коммутато­
рах используются золоченые кон
такты (сопротивление замкнутых
контактов примерно 0,01 Ом, термоэ. д. с. до 10 мкВ). Для согласова­
ния уровня сигналов со шкалой
АЦП используются переключатели
диапазонов для сигналов постоян­
ного и переменного токов и сопро­
тивлений. Аналого-цифровые преоб­
разователи интегрирующего типа
имеют пять поддиапазонов охваты­
вающих общий динамический диа­
пазон от ±100 мВ до ±100 В, наи­
меньшую цену деления 1 мкВ, по­
давление поперечных помех от 10 В
до 10 мкВ.
Кодоимпульсные сигналы
от
аналого-цифровых преобразователей
поступают на индицирующие, реги­
стрирующие
и
запоминающие
устройства.
Многоточечные измерительные
системы с регистрацией с числом
измеряемых величин от 20 до 1000
выпускаются фирмой Solartron (Ве­
ликобритания) , фирмой Siemens
(ФРГ), Sedeme (Франция), рядом
фирм США и т. п.
В Советском Союзе созданы и
используются многоточечные изме­
рительные системы, работающие
с большим количеством (до 104)
датчиков сигналов низкого уровня
отличающиеся относительно боль­
шим быстродействием (104 измере­
ний в секунду). Разнообразные по
количеству измеряемых величин и
другим параметрам ИС собираются
из функциональных блоков агрегат­
ных комплексов ГСП (см. ч. 4).
Поскольку функциональные схе­
мы и технические реализации боль­
шинства многоточечных ИС не от­
личаются большим разнообразием
и в основном соответствуют схеме
рис. 12-16, остановимся лишь на ИС,
содержащих интересные решения.
Так называемое
«дискретное
измерительное устройство» ДИУ-256
[Л. 12-8], модернизированное и по­
лучившее название ЭРА [Л. 12-22],
было предназначено для измерения
сигналов низкого уровня (датчи­
ки — термопары, тензодатчики и
термометры сопротивления, потен­
циометрические датчики и т. п.).
Эта ИС имеет две ступени коммута­
ции (рис. 12-18). Первая ступень
коммутации датчиков построена на
матричных релейных коммутаторах
КД-64, описанных в предыдущем
параграфе4. После предварительного
усиления (до ± 5 В) сигналы посту­
пают на устройства сравнения. Од­
новременно с сигналами на устрой­
ства сравнения подается разверты­
вающее ступенчатообразное напря­
жение. В момент равенства этих
сигналов устройства сравнения вы­
дают импульсы, позволяющие за­
фиксировать цифровые значениям
измеряемых величин. Последова­
тельный выбор выходных импульсовустройств сравнения осуществляет
групповой коммутатор ГК, работаю­
щий со скоростью переключения,.
в четыре раза превышающей ско­
рость переключения КД. Для увели­
чения быстродействия коммутаторы
КД переключаются .последователь­
но, при этом время переключенияреле равно утроенному циклу изме­
рения Ктол (12 мс). Цикл измерения*
имеет длительность около 3 мс.
В устройстве ДИУ-256 резуль­
таты измерения предварительно за­
писываются на магнитный барабан,,
а затем через коммутатор головою
Ктоп, блок выбора каналов ВК пе­
резаписываются на цифропечатаю­
щем устройстве с быстродействием?
24 строки в секунду. В устройствеЭРА используется регистрация на.
быстродействующем цифропечатаю­
щем устройстве (100 измерений
в секунду), коммутаторы КД имеют
по 100 входов.
Устройство ДИУ-256 имеет ско­
рость работы 256 измерений в се­
кунду, а ЭРА— 100 измерений в се­
кунду, погрешность измерения око­
ло 0,5%. При внимательном рассмо­
трении принципа действия ДИУ-256*
можно увидеть, что он является
комбинированным, объединяющим*,
параллельно-последовательный
и?
мультиплицированный (о котором
будет идти речь в следующей главе)
принципы действия.
Относительно хорошие характе­
ристики имеют ИС с коммутатора­
ми на бесконтактных ключах, вы­
полненных на полевых или МОПтранзисторах [Л 12-12, 12-13].,
Рассмотрим многоточечную ИС
такого типа, созданную под руко­
водством
А.
Н.
Касперовича
[Л. 12-29]. Эта ИС сначала выпол­
няет коммутацию сигналов, а после
усиления — аналого-цифровое пре­
образование (рис. 12-19). Благодаря
применению разделительного кон­
денсатора Сф и полевых транзисто­
ров в коммутаторе, с одной сторо-
#
V
'------
Рис. 12-18. Схема ИС ДИУ-256.
ны, удается добиться подавления
помех постоянного тока порядка
100 дБ, а с частотой 50 Гц и вы
ше — порядка 106 дБ. С другой сто
ропы, применение интегрирующей
емкости Сф ограничивает скорость
работы ИС — в созданной системе
максимальная * частота переключе­
ния коммутатора в циклическом
режиме составляет 1000 Гц при вре­
мени измерения 200 мкс. йремя
между измерениями используется
для аналоговой коррекции погреш­
ности, возникающей в измеритель­
ной цепи. Эта коррекция осущест­
вляется при включении контрольно­
го входа («0») коммутатора с по­
мощью усилителя устройства Срав­
нения, работающего в линейной об­
ласти, токами 1Х и /*. С учетом кор-
рекции основная погрешность си
стемы составляет 0,02% плюс (ми
нус) деление шкалы.
Нагрузкой коммутатора являет­
ся вход согласующего усилителя
с глубокой отрицательной обратной
связью, выполняющего функцию
преобразования входного напряже­
ния в ток. Входное сопротивление
усилителя равно примерно 50 МОм
Коэффициент передачи 60 мА/В.
Нелинейность коэффициента пере
дачи 0,02%
Аналого-цифровой преобразова­
тель поразрядного уравновешива­
ния имеет цифро-аналоговый преоб­
разователь с суммированием токов
на 11 двоичных разрядов. Диапазон
измеряемых напряжений ±50 мВ.
Выбор полярности производится
автоматически. Количество измеряе­
мых величин равно 32 [Л. 12-13].
Представляют интерес ИС с маг­
нитными коммутаторами (рис. 12-20,
12-21), выполняющими одновремен11—741
но функции усиления и сравнения
измеряемой и известной величины
[Л. 12-15, 12-16].
Матричный коммутационный эле­
мент (рис. 12-20) содержит два фер-
12-20. Схема магнитного ком­
мутационного элемента.
Рис. 12-21. Схема ИС с магнитным комму­
татором.
ромагнитных сердечника, имеющих
обмотку 1, к которой подключается
датчик с фильтром-пробкой, настро­
енным на удвоенную частоту пита­
ния, обмотку 2 питания t//, обмотки
5—7 коммутирующих токов, обмот­
ку 3, в которой генерируется на­
пряжение Uzf, пропорциональное
сигналу датчика, и компенсацион­
ную обмотку 4. При отсутствии то­
ков в обмотках 5—7 и появлении
тока в сигнальной обмотке в выход­
ной обмотке 3 индуцируется напря­
жение Uzf. Напряжение £/г/ после
фильтрации с помощью полосового
фильтра усиливается, детектируется
с помощью фазочувствительного де­
тектора ФД и подается последова­
тельно на ключи цифро-аналогового
преобразователя (рис. 12-21). При
включении данного разряда соответстаующий компенсационный ток / к
поступает в магнитную матрицу.
Если при этом сигнал от детектора
не изменяется, то данный разряд
остается включенным и подключает­
ся следующий разряд. Если после
этого сигнал от детектора изменяет
знак, то данный разряд выключает­
ся и оценивается разность тока, со­
ответствующего значению подклю­
ченного разряда, и тока, наведенно­
го в обмотке 3. В обмотки 5—7 мо­
гут подаваться большие постоянные
токи, приводящие сердечники в со­
стояние насыщения; при этом ком­
мутационные элементы разомкнуты.
Изготовленный
коммутатор
[Л. 12-15] имел сердечники из пер­
маллоя 79НМ толщиной 3 мкм. По­
роговый сигнал от датчиков опре162
деляется токами порядка единиц
микроампер и напряжениями по­
рядка единиц микровольт. Динами­
ческий диапазон системы примерно
50 000. Цифро-аналоговый преобра­
зователь имеет три двоично-десятич­
ных разряда. Время одного измере­
ния около 120 мкс. Количество из­
меряемых величин равно 27.
Возможно построение многото­
чечных ИС, основанных на исполь­
зовании. тестовых апериодических
переходных процессов в измеритель­
ных цепях с датчиками ;[Л. 12-26 —
12-28].
В таких ИС тестовые воздейст­
вия поочередно (с помощью комму:
татора) возбуждают переходные
процессы в апериодических цепях
(обычно RL или RC), включающих
датчики. В зависимости от типа
датчиков используется измерение
различных параметров переходного
процесса: установившееся значение,
первую производную или интеграль­
ное значение реакции цепи, интер­
вал времени изменения переходного
процесса до заранее установленного
значения.
В простейшем идеализированном
(линейные цепи) случае при воздей­
ствии ступенчатой возмущающей
функции поведение апериодической
системы описывается уравнением
/
R
dy
dt
где /, R — парахметры, характери­
зующие инерционные свойства си­
стемы и рассеяние энергии; у — ре­
акция системы; U — возмущающая
функция; U —0 при т= 0 , V =
= const=£0 при т^>0. Решение этого
уравнения
где T = I/R.
Измерение R может быть произ­
ведено (если известно U) при т^>0.
Измерение / может быть произ­
ведено по первой производной:
dy
dt i-o
____ U_
R
В измерительных системах часто
оказывается выгодным преобразова­
ние измеряемого параметра в интер­
вал времени.
Если выбрать опорный уровень
реакции уо, то время, в течение ко­
торого реакция yt станет равной уо,
Если выбрать опорный уровень
небольшим, то
Д т |_ о « А у ^ - .
Можно измерять интегральное
значение реакции системы
*п
Я = [
ydt = ~ - [ t a + T ( l + e
6
В этом случае можно изменять чув­
ствительность к R или / путем из­
менения времени интегрирования.
Если необходимо использовать
генераторные датчики (например,
термопары), то возможно либо вы­
полнить преобразование э. д. с.
в сопротивление или индуктивность,
либо при известных параметрах це­
пи по параметрам переходного про­
цесса определять возмущающее воз­
действие.
Реализация апериодических те­
стовых процессов в ИС оказалась
весьма эффективной.
.
Двадцатиточечная ИС, предна­
значенная для работы с термомет­
рами сопротивления и индуктивны­
ми датчиками, имеет основную по­
грешность порядка 0,1—0,2% при
времени опроса порядка Ы О-3 с
[Л. 12-28].
Четырехточечная ИС, предназна­
ченная для работы с термопарами,
имеет погрешность порядка 1% и
время, в течение которого напряже­
ние, соответствующее параметру
датчика, достигает максимума, рав­
но 1—2 мкс [Л. 12-26].
Помимо описанных имеются раз­
работки ИС,. измеряющих сигналы
переменного тока [Л. 12-23], сигма
лы постоянного тока с промежуточ­
ным преобразованием в эквивалент­
ное изменение фазовых соотноше
ний [Л. 12-24, 12-25] и многие дру
гие.
ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С ОБЩЕЙ ОБРАЗЦОВОЙ
ВЕЛИЧИНОЙ — МУЛЬТИПЛИЦИРОВАННЫЕ
РАЗВЕРТЫВАЮЩИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
13-1. ОСНОВНЫЕ МОДИФИКАЦИИ
Измерительные системы с общей
образцовой величиной содержат
(см. табл. 8-1) множество параллельных каналов, состоящих из дат­
чиков и устройств сравнения, одного
общего для всех каналов измерения
источника образцовой величины и
одного или нескольких устройств
представления измерительной ин­
формации. Измерительные системы
такого типа были предложены
Ф. Е. Темниковым в 1945 г. и назва­
ны мультиплицированными (множе­
ственными) развертывающими си­
стемами [Л. 13-1, 13-2]. В них полуи*
чил дальнейшее развитие принцип
развертывающего преобразования,
широко используемый при измере­
нии одной величины.
(
Мультиплицированные разверты­
вающие измерительные системы по­
зволяют [Л. 13-2] в течение цикла
изменения образцовой величины
(развертки) выполнить измерение
значений однородных по физической
природе измеряемых величин без
применения коммутационных эле­
ментов в канале измерения. Такие
ИС имеют меньшее общее количест­
во элементов по сравнению с ИС
параллельного действия и могут
Рис. 13-1. Структурные схемы мультиплицированных развертывающих ИС.
а — с и н д и в и дуал ь н ы м и уст р о й ст в а м и о т о б р а ж е н и я р езу л ь т а т о в и зм ер ен и я ; б — с групповы м у с т р о й ­
ством о т о б р а ж е н и я .
обеспечить практически такое же
быстродействие
Структурные схемы мультипли­
цированных- ИС представлены на
рис. 13-1.
В мультиплицированных измери­
тельных системах имеется возмож-
Рис. 13-2. К измерению п величин, разде-.
ленных на р групп.
ность разделения общего количест­
ва датчиков п на р групп. Каждая
из групп датчиков охватывается
своим диапазоном изменения образ­
цовой величины (рис. 13-2) На вы­
ходе устройств сравнения в момент
равенства значения измеряемой ве­
личины и известного текущего зна­
чения S образцовой величины появ­
ляются сигналы, позволяющие про­
извести индикацию или регистра­
цию результатов измерения.
Следует отметить, что текущее
значение образцовой величины мо­
жет иметь известное значение бла­
годаря соответствующей организа­
ции работы генератора и (или) мо­
жет быть измерено с помощью до­
полнительного устройства, входяще­
го в состав схемы управления.
Результаты измерения могут вы­
водиться на индивидуальные пока­
зывающие или
регистрирующие
устройства (рис. 13-1,а), а также на
общее устройство (рис. 13-1,6). f]pH
применении
общего
устройства
представления информации одно*
временно с регистрацией значений
необходимо фиксировать номер дат­
чика или применять иные способы,
позволяющие относить полученные
результаты измерения к соответст­
вующим датчикам. Мультиплициро­
ванные ИС особенно удобно исполь­
зовать для выявления равных зна­
чений точек Ноля измеряемых вели­
чин. В этом случае имеется возмож­
ность формировать заданные значе­
ния образцовой величины и фикси­
ровать номера датчиков, значения
сигналов от Которых равны образ­
цовой величине.
При необходимости выделения и
фиксации значений измеряемых ве-’
.личин в заданных точках (адресный
режим) имеется возможность под
ключать к устройству представле­
ния только выходы - соответствую­
щих устройств сравнения. Следует
заметить, что в этом случае погреш­
ность элементов, коммутирующих
сигналы от устройств сравнения, не
имеет существенного значения
Устройство формирования значе­
ний образцовой величины может ге­
нерировать линейно-за висящую от
времени функцию Тогда в ИС про­
изводится по существу время-импульсное преобразование измеряе­
мых величин. Если генерируется ступенчато-нарастающая функция, на­
пример, с помощью цифро-аналого­
вого преобразователя, то существен­
но упрощается получение цифрового
результата измерения. Если значе­
ния образцовой величины формиру­
ются в зависимости от линейного
или углового перемещения какого-то
задающего устройства, то упроща­
ются возможности представления
результатов измерения в графиче­
ском виде. Более подробно на этих
возможностях остановимся в сле­
дующем параграфе
Вид устройств сравнения и гене­
раторов, формирующих значения об­
разцовой величины, в мультиплици­
ровании х ИС зависит главным об­
разом от типа модуляции сигналов.
Наиболее широко в мультипли­
цированных ИС используются дат­
чики с амплитудно-модулированными выходными сигналами.
Тогда в большинстве случаев
используются устройства сравнения
релейного типа, а генератор образ­
цовой величины формирует линейновозрастающее во времени или сту­
пенчатое компенсационное напря­
жение. По-видпмому, могут успешно
использоваться в качестве устройств
сравнения магнитные элементы, опи­
санные в предыдущей главе.
Возможно также использование
сигналов параметрических датчиков
для изменения настройки резонанс­
ных контуров или режимов работы
частотно-зависимых цепей, а в ка­
честве генератора образцоврй вели­
чины— генератора качающейся ча­
стоты.
Видимо, не исключено создание
мультиплицированных систем, рабо­
тающих с генератором качающейся
частоты, датчиками, имеющими частотно-модулированные
выходные
сигналы, и устройствами сравнения,
фиксирующими равенство частот
колебаний сигналов датчиков и ге­
нератора.
Наиболее существенными недо­
статками мультиплицированных ИС
являются наличие большого числа
устройств сравнения, равного коли­
честву измеряемых величин, и необ­
ходимость различения сигналов от
устройств сравнения. Устройства
сравнения обычно значительно ус­
ложняются при измерении сигналов
низкого уровня Кроме того, в не­
которых случаях (например, при
измерении сигналов от параметри­
ческих датчиков) входные цепи
устройств сравнения включены па­
раллельно и шунтируют сопротивле­
ния источников сигнала. Для умень­
шения этого шунтирующего влияния
необходимо применять устройства
сравнения с высоким входным со­
противлением и (или)
прибе­
гать к отключению сработавших
устройств сравнения [Л. 13-3].
Перейдем к рассмотрению неко­
торых принципов построения муль­
типлицированных ИС
13-2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
МУЛЬТИПЛИЦИРОВАННЫХ и с
ла от каждого датчика используется
лишь часть шкалы измерительной
системы
Мультиплицированные ИС с вы­
дачей результатов в цифровом виде
могут быть выполнены, например,
по схемам, представленным на рис.
13-4, 13-5. К стабильности работы
генератора импульсов здесь не
предъявляются высокие требования.
Устройство управления может по­
зволить сделать выборку показаний
любого датчика, а также выявить
датчики, имеющие равные сигналы.
На схемах не представлены цепи
смещения, необходимые для разде­
ления датчиков на группы. В необ­
ходимых случаях их можно ввести
На рис. 13-4 датчики активного
сопротивления Д\—Дг включены
в измерительные мостовые цепи
1—и, питающиеся от одного много­
обмоточного трансформатора. Н а­
пряжения измерительных диагона
лей мостов сравниваются со ступен
чатым напряжением преобразовате
ля «цифра — напряжение». В момен­
ты равенства этих напряжений из
устройства управления выдаются
номер N датчика и численное выра
жение х, характеризующее состоя
ние датчика
В [Л. 13-2] приведены типовые
схемы мультиплицированных мосто­
вых и потенциометрических *ИС
Остановимся на наиболее общих
схемах с групповым размещением
датчиков и устройств сравнения
(рис. 13-3). Частные случаи ИС мо­
гут быть получены выборкой строки
или столбца из матрицы, содержа­
щей датчики и устройства сравне­
ния. На этих схемах показана связь
компенсирующей величины с углом
поворота барабана регистрирующе­
го устройства Пх
При наличии токопотребляющих
устройств сравнения их шунтирую­
щее влияние может быть весьма
ощутимым, и его необходимо учиты­
вать [Л. 13-2, 13-3]..
Разделение датчиков и устройств
сравнения на группы создает не­
сколько лучшие условия для борьбы
с шунтирующим влиянием устройств
сравнения и облегчает распознава­
ние графических изображений ре­
зультатов измерения. Однако это
разделение может привести к увели
чению погрешности измерения, так
как для измерения значений сигна­
и 0-
Г
•СП
—
Ж
}ь
Рис. 13-3. Мостовая (а) и потенциометрическая (б) мультиплицированные ИС.
о
Рис. 13-4. Мультиплицированная многомостовая цифровая ПС.
На рис. 13-5 представлена ана­
логичная схема с активными датчи­
ками. Из блока управления на ней
выделена часть, осуществляющая
формирование сигналов, управляю­
щих преобразователем «цифра—на­
пряжение», и выдающая результат
измерения х. Номер датчика N вы­
дается устройством управления.
Цифровые мультиплицированные
ИС используются, в частности, для
измерений давлений. Один из ва­
риантов пневмоэлектрической циф­
ровой мультиплицированной ИС
представлен на рис. 13-6 [Л. 13-4]
Количество измеряемых давлений
Р 1 Р п в этой системе — до
256
Допускается установка пневмодат­
чиков на расстоянии до 3 км. Ма­
ксимальная погрешность преобразо­
вания 1%, время цикла измерения
может изменяться от 1 до 20 с.
Отличительная особенность этой
системы связана с тем, что компен­
сирующее давление, поступающее
через электропневматический кла­
пан Ki от внешней пневматической
магистрали, постепенно возрастает,
его значение преобразуется в экви­
валентное электрическое напряже­
ние с помощью пневмоэлектрического преобразователя (мембранный
упругий элемент с тензодатчиками)
и измеряется. Предусмотрен цикли­
ческий (с помощью коммутатора)
—
опрос состояний пневматических
устройств сравнения. Для исключе­
ния повторной передачи адреса
каждое пневматическое устройство
сравнения снабжается запоминаю­
щим элементом (на рис. 13-6 не по­
казаны). После окончания цикла
преобразования открывается выход­
ной клапан Ki, и давление в кол­
лекторе падает до атмосферного.
Имеются мультиплицированные
ИС, работающие с частотно-модулированными сигналами. В таких си­
стемах формирование образцовой
величины производится при помощи
Рис. 13-5. Потенциометрическая мультипли­
цированная цифровая PIC.
генераторов качающейся частоты
с изменяющимися емкостью или ин­
дуктивностью (LC-генераторы) либо
активным сопротивлением (/?С-генераторы) [Л. 13-6].
В качестве резонаторов могут
служить
узкополосный фильтр,
включающий параметрический дат­
чик, струнные датчики, объемные
резонаторы и т. д. Если на резона­
торы периодически подается линей
но-изменяющееся по частоте' напря­
жение, то при достижении полос
прозрачности резонаторов на-их вы-
Рис. 13-7. Мультиплицированная ИС с гене­
ратором качающейся частоты (ГКЧ) .
а
к определению A — интервала времени, про­
порционального изменению резонансной частоты
резонатора; о — схема подключения резонаторов
ходе возникают сигналы
(рис
13-7,а), смещение которых по оси
времени определяет значения изме
ряемых величин [Л. 13-5]. Преобра
зование Дti в линейное перемещение
регистратора или в цифровую фор
му не представляет затруднений
Упрощенная функциональная схема
такой системы представлена на рис
13-7,6.
В качестве элементов, настроен
иых на определенную частоту и из­
меняющих настройку под влиянием
измеряемой величины, можно ис­
пользовать нерезонансные частотно­
зависимые цепи [Л. 13-7, 13-8], на­
строенные на определенный режим
работы (например, уравновешен­
ный по частоте режим, режим изме­
нения фазовых соотношений).
Однако возможности, открываю­
щиеся при применении частотно-за­
висимых цепей в мультиплициро­
ванных ИС, пока не раскрыты.
Для иллюстрации принципа дей­
ствия ИС с генератором качающей­
ся частоты приведем краткое-описа­
ние цифрового резонансного уровне­
мера [Л. 13-9], который может быть
использован как часть мультипли­
цированной ИС (рис. 13-8).
Уровнемер предназначен для из­
мерения уровня электропроводных
и диэлектрических сред с постоян­
ными электромагнитными свойства­
ми. Пределы измерения уровня от
50 до 1000 мм. Основная погреш­
ность рт ±0,2 до 0,59. Показания
передаются на расстояние 100 м.
Время измерения порядка 20 мс.
Входящий в состав уровнемера LCгенератор качающейся частоты ГКЧ
работает в диапазоне 20—30 МГц
с девиацией 20—30%.
Частотный диапазон датчика
разбивается в уровнемере на линей­
ные участки с помощью высокоча­
стотных опорных колебательных
контуров Р1 и Рч, настроенных че­
рез 10% от наибольшей частоты
ГКЧ.
Резонансный контур Ри настроен
на минимальную частоту fMuн и
служит для выдачи начального им­
пульса,
подготавливающего
всесчетчики к приему импульсов. В ре­
зонансный контур Ри входит датчик
с распределенными параметрами,
собственная частота колебаний ко­
торого связана с измеряемым уров­
нем среды. Декадный счетчик 3
определяет количество опорных им­
пульсов, которые поступают от ко­
лебательных контуров Pi и Рг за
интервал времени от начального
импульса до импульса от датчи­
ка Ри.
Для получения более высокой
точности измеряется не только вре­
мя запаздывания импульса от дат­
чика по отношению к предшествую­
щему импульсу от контуров Р\ и Рг
(с помощью счетчика 2), но и ин­
тервал между двумя опорными им­
пульсами (с помощью счетчика /),
в течение которого появился им­
пульс от датчика. Такой способ из­
мерения
позволяет существенно
уменьшить погрешности от нелиней­
ности характеристики ГКЧ и ее не­
стабильности. Счетчики 1 и 2 по­
сле каждого опорного* импульса,
приходящего на счетчик 3, начина­
ют счет от нуля. Схемы # 2 и И3
управляются от разных выходов
триггера Тг2. После прихода им­
пульса от датчика триггеры Гг2 и
Тг3 закрываются. В счетчике 3 обра­
зуется число, соответствующее гру­
бому отсчету уровня среды в датчи­
ке (n/N, где п — записанное в счет­
чике 3 число; N — количество интер­
валов разбиения максимального
значения уровня), а в счетчике 2 —
число а-гочн, определяющее запазды­
вание импульса от датчика относи­
тельно предшествующего опорного
импульса.
Счетчик / будет продолжать
считать импульсы от генератора Г
до тех пор, пока не придет на схему
И2 последующий опорный импульс.
Тогда триггер Тгi прекратит подачу
сигнала на Иь и в счетчике 1 сфор­
мируется число Ьшгг, соответствую­
щее длительности интервала, в те­
чение которого поступал импульс от
датчика.
Значение измеряемого уровня
определится по следующей формуле:
^ т е кущ — ^ц о л н
^точп
^инт ) N
*
К сожалению, подобный способ
уменьшения погрешностей измере­
ния применительно к мультиплици­
рованной многоточечной ИС реали­
зовать затруднительно.
В заключение следует заметить,
что, по нашему мнению, мультипли­
цированные ИС должны получить
в ближайшее время значительно
большее распространение, чем сей­
час; это можно связать главным
образом с успехами микроэлектро­
ники. Однако мультиплицированные
ИС будут, по-видимому, применять­
ся преимущественно при измерении
сигналов небольшого (до 100) ко­
личества датчиков и при контроле
сигналов от большого количества
датчиков (см. ч. 3).
Б. С Т А Т И С Т И Ч Е С К И Е И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е
СИСТЕМ Ы
Г Л А В А ЧЕТ Ы Р Н А Д Ц А Т АЯ
СИСТЕМЫ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ
Статистический анализ случай­
ных величин и процессов широко
применяется во 'всех отраслях науки
и техники.
Для специалистов ИИТ необхо­
димо не только уметь пользовать­
ся статистическими характеристика­
ми при проектировании и анализе
погрешностей технических средств,
но -и знать методы и принципы
построения аппаратуры, предназна­
ченной для экспериментального из­
мерения таких характеристик. Вви­
ду особой важности статистических
измерительных систем здесь целе­
сообразно привести в весьма сжа­
том виде основные сведения о прин­
ципах построения таких систем и'
дать примеры их реализации.
При экспериментальном измере­
нии характеристик случайных про­
цессов имеется возможность опери­
ровать с временной реализацией
X i(t),
ансамблем
реализаций
{ Х г (/)} г = 1, . . . , т П ри
самблем
ИЛИ а Н -
значений
реализаций
{Xi ( t j ) }г=1, . . 7?г, взятых в определен­
ный момент времени tj (рис. 14-1).
Случайные функции могут быть
заданы в непрерывном или в кван­
тованном по времени виде. В по­
следнем случае функция задается
выборкой N дискретных значений
непрерывной функции, взятых через
определенный интервал времени At.
При анализе ансамбля реализа­
ций, конечно, получается наиболее
полная информация о случайном
процессе. В ряде практически важ­
ных случаев можно ограничиться
определением характеристик слу­
чайного процесса по одной его реа­
лизации или по ансамблю значе­
ний— это оказывается возможным,
если случайный процесс является
стационарным и эргодическим. На­
помним, что процесс — стационар­
ный и эргодический, если абсолют­
ное значение его автокорреляцион­
ной функции при Tj^to не превыша­
ет некоторого заданного значения:
| Rx ( т ) |
В дальнейшем остановимся на
экспериментальном измерении ха­
рактеристик стационарных эргодических процессов (рис. 14-2,а).
Полученные в результате изме­
рения эмпирические характеристики
случайных процессов принято назы­
вать оценками истинных характери­
стик. Эти оценки сами по себе яв­
ляются случайными величинами.
Поэтому при планировании стати­
стического измерительного экспери­
мента необходимо решать задачи
получения оценок характеристик
с заданной погрешностью при огра­
ничениях, накладываемых на объем
исходных данных, на время изме­
рения, сложность аппаратуры и т. п.
Как известно, оценки характери­
стик должны быть состоятельными,
несмещенными и эффективными. Со­
стоятельной называется оценка, ве­
роятность отклонения значения ко­
торой от оцениваемой величины при
увеличении объема статистического
материала стремится к нулю. Оцен­
ка называется несмещенной, если
разность ее математического ожи­
дания и истинного значения харак­
теристики оцениваемой величины
стремится к нулю, т. е. фактически
при этом требуется, чтобы отсутст­
вовала систематическая ошибка.
Смещение оценки Q* определяется
как 6q*= A1[Q*]—Q. Оценка назы­
вается эффективной, если несме­
щенная оценка обладает наимень­
шей
дисперсией:
min Z){Q*] =
= M[{M[Q*]—Q}2]. Погрешность оцен­
ки Q* обычно определяется довери­
тельной вероятностью а и довери­
тельным интервалом Q ± eQ* ( с м ..
гл 2):
•
P ( Q - V
< Q * < Q
+
e Q,) =
a.
Рис. 14-1. Реализации случайного процесса.
171!
„
/
1
м Ы у-
' М[у]
Л/ 1 А А Л Д /
t
t
а)
___ ^ М Г у ]
/
_ _
б)
б)
/М [у1
_____ ™[у]
t
г)
't
е)
ю
Рис. 14-2. Виды случайных процессов.
а — стационарный случайный процесс: б, в ~ нестационарный случайный процесс с изменяющ им­
ся математическим ожиданием; г, д — нестационарный случайный процесс с изменяющимся
среднеквадратичным отклонением; е — нестационарный случайный процесс с переменным м ате­
матическим ожиданием и среднеквадратичным отклонением.
В качестве вероятностных харак­
теристик случайных величин и про­
цессов чаще всего используют за­
коны (распределения вероятностей,
корреляционные и спектральные
функции.
Перейдем к рассмотрению прин­
ципов построения статистических
измерительных систем, предназна­
ченных для измерения этих характе­
ристик. На измерении математи­
ческого ожидания, дисперсии, услов­
ных
характеристик,
измерении
статистических характеристик не­
стационарных случайных процессов,
к сожалению, не имеем возможно­
сти остановиться [Л. 14-5, 14-6,
14-20]. Поскольку описание методов
и средств статистического анализа
в литературе зачастую приводится
совместно, для глав этого раздела
сделан общий список литературы.
14-1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ.
МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ
Одномерная интегральная функ­
ция распределения вероятностей
F(X) =P(— ° ° < x ( t X : x )
опреде­
ляется вероятностями нахождения
исследуемого процесса ниже уровня
х, который может изменяться от
— оо
до - b o o . По определению
F(— о о ) = 0 и F( + )=^l (рис. 14*3,6).
Двумерная интегральная функ­
ция распределения вероятностей
стационарного случайного процесса
X(t) определяется вероятностями
нахождения X(t) и ^ '(f+т) ниже
уровней Xi и Хг:
F(xu *2, т) = p [ X ( t ) ^ x i;
X (£ 4-т) ^ Хг].
Одно- и двумерные дифференци­
альные законы распределения веро­
ятностей
случайного
процесса
X ( t ) — плотности распределения ве­
роятностей (рис. 14-4,6)— опреде­
ляются следующими выражениями:
ной суммы к времени наблюдения:
для
F(*) = lim
а для плотности вероятности необ­
ходимо учесть не только время, но
и интервал
Ах:
f( x ) = ^JT~f(x *’x *z) =
f ( x , Ax) = l \ m J f - ± .
__ d2F (х j, х2, т)
d x xdx2
ИЛИ
f(x)dx = р [ х ^ X ( t ) ^ x + dx]\
f ( x ь х% т)dx\t dx2= p [ x ^ X ( t ) ^
^.'Xi~\-dxi\ x2^ i X (t-\-x)
Т1
~\~dx2\.
Определение
вероятностей
p [ X (t ) ^x ]
и
+
можно производить путем суммиро­
вания отрезков времени, в течение
которых выполняются указанные
неравенства, и отнесения получен­
Ax-fO
Если исследуемый процесс пред­
ставлен
решетчатой
функцией,
(в виде дискрет, сдвинутых на ин­
тервал квантования по времени АО»
то выражения для интегральной
функции распределения и плотности
распределения примут следующий
вид:
At =
F( x, N,
Ц х , N, i f ,
N-*oо
М
=
« т Т
Е
lim
Г
-
A.v-»0
Рис. 14-3. Интегральная функция распределения вероятностей
а — к определению интегральной функции распределения вероятностей; б — вид интегральной
ции распределения вероятностей.
Рис. 14-4. Плотность распределения вероятностей.
о — к определению плотности распределения вероятностей; б — вид плотности распределен!!
вероятностей.
;
функ­
В этих выражениях At — интер­
вал квантования по времени; п —
количество дискрет, уровень кото­
рых меньше х для интегральной
функции распределения или нахо­
дится в интервале х + А х для плот­
ности распределения; N = T / A t — ко­
личество дискрет в исследуемой реа­
лизации-объем выборки.
В большинстве случаев At равно
или больше интервала корреляции
исследуемого процесса.
Для определения функции рас­
пределения (интегрального закона
распределения) и плотности распре­
деления должны быть получены все
значения F (х) и f(xAx) в пределах
динамического диапазона исследуе­
мого процесса. Для этого динамиче­
ский диапазон исследуемого процес­
са разбивается на т интервалов
квантования и для каждого уровня
и интервала квантования определя­
ются значения F и f.
При экспериментальном опреде­
лении закона распределения вероят­
ностей неизбежно возникают мето­
дические погрешности, обусловлен­
ные конечной длительностью наблю­
дения ( Г < о о ) или выборки (N < 1
< о о ) реализаций и конечным зна­
чением интервала квантования по
уровню Ах =7^=0. Именно ввиду нали­
чия в первую очередь методических
погрешностей в результате измери­
тельного эксперимента получаются
не точные, а приближенные выра­
жения— оценки законов распреде­
ления вероятностей:
F*(x,T) = ^ - ;
f*(x, Ах,
F*(x, N, А <)=-£-;
f* (x, N, At, Ах) = ~ - ± - .
Определение интервала кванто­
вания по параметру X производится
способами, рассмотренными в гл. 5.
В зависимости от степени аппрокси­
мирующего многочлена в теории ве­
роятностей различают представле174
ние плотности распределения гисто­
граммой (приближение на интерва­
лах квантования степенным много­
членом нулевой степени) или поли­
гоном (приближение многочленом
первой степени).
Неравенства Чебышева [Л. 14-1„
14-6] позволяют при заданной по­
грешности законов распределения
приближенно определить время на­
блюдения при некоррелированной
выборке, когда интервал квантова­
ния At равен или больше интервала
корреляции:
р [шах | F* (х , Т) — F (х) \
р [шах | /* (х, Ах, Т) Ах —
- 1 ( х ) А х ] ^ е г} < - ~ .
Более точное определение време­
ни наблюдения Т или объема вы­
борки N (при некоррелированной
выборке) может быть выполнено,
если задана относительная средне­
квадратичная погрешность измере­
ния б в фиксированных точках F*{x)
и f*(i с, Ах) по формулам [Л. 14-5,
14-7]
_ 1 - f ( * ) _____ 1
.
F'
S2
f F* (x)
S2f p* (jc) ’
AJ ~ f * <*’
sf f* (x , Ax)
_
l
Sf f* (X, Ax )~£^
Приближенные значения
и /\[
получены при условиях F* (*) i и
Axf* (х , Ах) <С 1. Из этих выражений
следует, что объем выборки сущест­
венно зависит от заданной погреш­
ности.
В случае, если между выбороч­
ными значениями имеется корреля­
ционная связь (Д^<то, где to — ин­
тервал корреляции), то объем вы­
борки нужно увеличить [Л. 14-5).
Поскольку F* (х, Т) и f*(x,
Т) связаны между собой известны ми зависимостями, то в статистиче­
ских анализаторах, видимо, молено
ограничиться только измерением
F*(x, Т) или f*{x, Ах, Т). Аппара-
турные решения (как будет показа­
но дальше) для измерения F*(x, Т)
проще чем для /*(х, Ах, Т). Однако
большинство анализаторных ИС де­
лается для измерения плотности
распределения. Это объясняется тем,
что при преобразовании плотности
распределения в функцию распреде­
ления погрешности получаются су­
щественно меньше, чем при обрат­
ном преобразовании [Л. 14-1].
Более подробно с анализом мето­
дических погрешностей анализатор­
ных ИС
можно ознакомиться
в [Л. 14-1, 14-3, 14-5—14-7].
14-2. ОДНОКАНАЛЬНЫЕ
АНАЛИЗАТОРЫ
Одноканальные анализаторы за
цикл анализа реализации x(t) по­
зволяют получить одно дискретное
значение функции или плотности
распределения исследуемого случай­
ного процесса. Для получения всех
дискретных значений, необходимых
для представления законов распре­
деления, следует последовательно
изменять х или месторасположение
интервалов квантования по уровню
Ах и производить измерение значе­
ний F*(xi) и f*(xi,bАх). Естественно,
что при последовательном измере­
нии всех дискретных значений F i: и
/* на проведение анализа затрачи­
вается большое суммарное время.
Структурные схемы одноканаль­
ных анализаторов представлены на
рис. 14-5—14-7. Наиболее часто
в одноканальных анализаторах, опе­
рирующих с непрерывными сигнала­
ми и основанных на измерении
относительного времени пребывания
процесса x(t), используется образо­
вание ШЙМ-сигналов и их интегри­
рование в течение времени Т Раз­
решающая способность таких ана­
лизаторов определяется дрейфом
уровня амплитудных селекторов и
формой импульсов. Она обычно ог­
раничивается примерно 1/20—1/100
максимального значения измеряемо­
го напряжения. Так, анализатор
ААДО-1, имеющий подобную струк­
турную схему, позволяет работать
с напряжением до 100 В, имеет ши­
рину интервала 1,2, 5, 10, 20 В,
погрешность измерения плотности
распределения примерно 1% и до­
пускаемую нагрузку по входу от 5
до 1000 имп/с.
Если исследуемый процесс пред­
ставлен в квантованном по времени
виде, используются амплитудный
дискриминатор с изменяемым (сту
пенями) уровнем сравнения х (рис.
14-5) и суммирующие счетчики, на
выходе которых получаются значе­
ния п п N.
На рис. 14-6 показан анализатор,
предназначенный для измерения
F* (N, At) . Предоставляем читателям
возможность составить схему ана­
лизатора такого типа, позволяюще­
го произвести измерение f*{N, At,
Рис. 14-5. Анализатор с ШИМ и аналоговым интегрированием.
Х\
я х2 — уровни анализа.
1 75
анализом полученного потенциаль­
ного изображения.
Достаточно подробную характе­
ристику различных одноканальных
анализаторов
можно
найти
в
[Л. 14-6].
14-3. МНОГОКАНАЛЬНЫЕ
АНАЛИЗАТОРНЫЕ ИС
Рис. 14-6. Одноканальный анализатор для
измерения параметров функции распреде­
ления. •
Рис. 14-7. Система с телевизионным датчи­
ком ТД для измерения параметров распре­
деления вероятностей.
Дх). По такому принципу работают
одноканальные анализаторы им­
пульсов АИ-3—АИ-8, обладающие
высоким быстродействием
(до
105 имп/с), повышенной чувстви­
тельностью (максимальное значение
амплитуды исследуемых процессов
до 3—10 В).
Простотой и высоким быстродей­
ствием отличаются анализаторы
с преобразованием исследуемого
временного процесса x(t) в прост­
ранственный сигнал х(1). Это пре­
образование может быть осуществ­
лено либо с помощью электронного
осциллографа при подачу на откло­
няющие пластины электронно-луче­
вой трубки исследуемого процесса и
несинхронного развертывающего на­
пряжения, либо с помощью регист­
рирующих устройств. Возможно так­
же использование оптических систем
с перемещающимися диафрагмами
и фотоэлектронным воспринимаю­
щим и интегрирующим устройством
либо промежуточное преобразова­
ние с помощью телевизионного дат­
чика ТД (рис. 14-7) с последующим
Многоканальные анализаторные
системы, позволяющие получать за­
коны распределения амплитуд им­
пульсов и интервалов времени меж­
ду ними, амплитуд непрерывных
временных и распределенных в про­
странстве случайных пррцессов и
т. п., широко используются в ядерной физике, биологии, геофизике,
в химическом и металлургическом
производстве. Промышленное произ­
водство их неуклонно растет, в США,
например, в 1965 г. было выпущено
анализаторных систем на сумму,
превышающую 20 млн. долларов.
Не прекращаются исследования, на­
правленные на создание специализи­
рованных анализаторных систем.
Наиболее часто реализации ис­
следуемых процессов представляют­
ся в виде электрических сигналов лг
графических изображений. Как в
том, так и в другом случае могут
быть использованы
аналоговые,
цифровые и смешанные принципы
построения анализаторов.
В аналоговых
анализаторах
используются дискриминаторы, вы­
деляющие каналы — интервалы зна­
чений измеряемых величин, аналого­
вые накопители (индивидуальные
для каждого канала) и устройства
вывода (рис. 14-8). В качестве амп-
Рис. 14-8. Схема многоканального аналого­
вого анализатора.
Рис.
14-9. Многоканальный анализатор—
приставка к ЭПП.
литудных дискриминаторов могут
использоваться пороговые устройст­
ва (типа триггеров Шмитта), фото­
приемники с диафрагмами, выделя­
ющими каналы, и т. п. Обычно при
использовании
дискриминаторов
число каналов не превышает 30—50.
Для накопления данных в этом слу.чае часто используются конденса­
торные устройства.
Прйвёдем пример аналогового
многоканального анализатора [Л.
14-14], который выполнен в виде
приставки к электронному потен­
циометру ЭПП (рис. 14-9). С валом
реохорда ЭПП механически связан
коммутатор, имеющий 30 ламелей.
Каждая из ламелей соединена с за­
поминающим конденсатором. Сг*(£=
= 1,..., 30). Конденсаторы заряжа­
ются от источника стабилизирован­
ного напряжения через высокоом­
ный резистор R. К концу цикла ре­
гистрации случайного процесса (до
суток) напряжение на конденсато­
рах пропорционально отрезкам вре­
мени, в течение которых скользя­
щий контакт Ki находился на соот­
ветствующей ламели коммутатора.
Постоянная времени цепи одного
канала может устанавливаться от
250 до 5000 с. Потери на токи
утечки для конденсатора — до 1—
2%. Напряжения на конденсаторах
измеряются последовательно лампо­
вым вольтметром Л В, присоединяе­
мым коммутатором Кч (цикл изме12—741
рения 45 с), и гистограмма регист­
рируется на ЭПП. Погрешность по­
казаний отдельного канала пример­
но 2—3%.
На рис. 14-9 не показано элек­
тронное устройство управления оп­
росом и разрядкой конденсаторов.
Типовая структурная схема со­
временных. цифровых анализаторных
ИС представлена на рис. 14-10. Та­
кие ИС .содержат аналого-цифровой
преобразователь (в большинстве
случаев циклического действия)^
у которого %каждое деление шкалы
связано с индивидуальным счетчи­
ком. Заметим, что вместо счетчика
могут бьгА> использованы аналого­
вые интегрирующие устройства; тог­
да ИС можно классифицировать,
как систему смешанного цифроаналогового типа.
В современных многоканальных
анализаторных ИС типа АИ, пред­
назначенных для статистического
анализа импульсов [Л. 14-7], исполь­
зуются в качестве интегрирующих
устройств магнитные устройства па­
мяти (рис. 14-11). Результат измере­
ния в виде кодоимпульсного сигнала
в таких ИС поступает 'в регистр Р\
и определяет адрес ячеек памяти,,
в которых накапливается количест­
во значений исследуемой величины,,
соответствующих каждому .результа­
ту измерения. С помощьйэ регистра
Pi к числу, хранящемуся в ячейках
памяти данного интервала, после
поступления очередного результата
измерения добавляется единица.
Промежуточные запоминающие уст­
ройства ПЗУ (на магнитных лентах,,
перфолентах, перфокартах и т. п.)
используются для увеличения объ-
Рис. 14-10. Многоканальная цифровая ана­
лизаторная ИС.
ема выборки, уменьшения потерь
информации и т. д. В зависимости
от того, сколько параметров одно­
временно анализируется, различают
одномерные, двух-, трех- и 6-мерные
анализаторные ИС. Современные
анализаторные ИС позволяют полу­
чать законы распределения ампли­
туд А, временных интервалов В, но­
меров источников информации Д
в различных сочетаниях (обычно
не превышающих трехмерного): А,
В, АА, AAA, АВ, ААВ, ВВ, АД, ВД...
Для получения 6-мерных зако­
нов распределения ИС содержат со­
ответствующее количество аналогоцифровых преобразователей и про­
межуточное запоминающее устрой­
ство (на рис. 14-11—ПЗУ-2). При
этом основное запоминающее уст­
ройство ЗУ и регистр
разделяют­
ся на 6 частей. Число независимых
анализируемых величин может до­
ходить до нескольких десятков и со­
тен.
В Советском Союзе разработаны
и выпускаются анализаторы импуль­
сов типа АИ. Отечественные про­
мышленные анализаторы АИ-100
(А), АИ-128-1М (А), АИ-256 (А,
В, Д), АИ-1024 (АА, В, АД),
АИ-2048 (А, В, АВ), АИ-4096 (АА,
ВВ, АД, ВД) имеют число каналов,
равное соответственно 100, 128, 256,
1024, 2048 и 4096, число уровней
квантования по амплитуде от 100 до
512 (в АИ-4096-3-А6—до 4096),
ширину временных каналов от 10”9
178
до 64* 10-6 с, число каналов коорди­
нат датчиков от 8 до 100, емкость
каналов от 104 до 1018 бит, цикл
сортировки от 10 до 56 мкс.
Анализаторы АИ-4096-3 и А-2048-1
выполняют дополнительные опе­
рации обработки: сглаживание, нор­
мирование, разложение на элемен­
тарные компоненты и т. п. Для это­
го эти анализаторы имеют арифме­
тические устройства и устройства
управления, позволяющие произво­
дить помимо основных арифметиче­
ских операций операции сравнения,
модификации адреса, условного пе­
рехода, характерные для ЭВМ.
Анализаторы типа АИ выпуска­
ются в блочном исполнении. К от­
дельным блокам, входящим в со­
став современных анализаторов АИ,
относятся аналого-цифровые преоб­
разователи, запоминающие, ариф­
метические, управляющие, выход­
ные устройства, устройства комму-*
тации и передачи информации.
Принцип их действия и технические
характеристики изложены в [Л. 14-7,
14-15—14-19].
Следует отметить, что для умень­
шения объема; запоминающих уст­
ройств и увеличения быстродействия
перед входом АИ весьма часто ис­
пользуются относительно простые
(иногда и аналоговые) устройства
обработки входных данных [Л. 14-7,
14-19].
Для
контроля
правильности
функционирования АИ и определе-
ния их характеристик используются
генераторы образцовых потоков им­
пульсов. Разработаны генераторы'
точных амплитудных значений, рас­
пределенных, например, по нормаль­
ному закону, генераторы «белого»
параметрического спектра. Предус­
мотрен контроль входных и выход­
ных устройств АИ. Разработаны
тестовые программы, служащие для
проверки работоспособности узлов
обработки информации АИ. В
[Л. 14-7, 14-19] приводятся данные
измерительных комплексов и цент­
ГЛАВА
ров, в которых с помощью комму­
таторов и согласующих устройств
объединяются для совместной рабо­
ты несколько АИ и универсальных
ВМ.
Следует отметить, что при рабо­
те АИ возникают специфические по­
грешности, которые следует учиты­
вать. Для этого используется аппа­
рат теории массового обслуживания.
Достаточно подробный анализ ис­
точников погрешностей измерения
АИ произведен в [Л. 14-7, 14-19].
ПЯТНАДЦАТАЯ
КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
15-1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ
Для экспериментальных иссле­
дований случайных процессов во
многих случаях целесообразно ис­
пользовать числовые характеристи­
ки многомерных законов распреде­
ления. Такими характеристиками,
широко используемыми в теории
вероятностей, являются первый —
начальный и второй — центральный
моменты, а также корреляционная
функция случайного процесса. Мо­
менты более высокого порядка ис­
следуются относительно редко.
Математическое ожидание слу­
чайного процесса определяет пре­
дел, к которому стремится последо­
вательность средних значений x(t)
при большом числе реализаций:
М [*(*)] =
J * (/)/(* , t)dx.
—ОО
х)— плотность распределения
где /(
величины x(t).
Для эргодических стационарных
случайных процессов
00
M [Z ]==lim 4- |
— 00
Автокорреляционная
функция
случайного процесса чаще всего оп12*
редел яется как математическое ожи­
дание произведения центрированных
значений xo(t) в моменты времени
ti и /2*
R(t„
ts) = M[X0(tl),X0(t2)} =
=
J
[ w o - M [*]}{*( О -
—CO —00
t2]dx(tx)dx(t2).
Для стационарных случайных
процессов
автокорреляционная
функция не зависит от выбора мо­
мента времени, а определяется раз­
ностью x = t2—h. Поэтому для ста­
ционарных случайных процессов
автокорреляционная функция имеет
вид:
Д *0О =
J
J * (О x ( f + i ) f [ x (О,
—оо—оо
х (t+ Т)1 dx (t)dx (t-J- t).
Для эргодических стационарных
случайных процессов выражение
для автокорреляционной функции
может быть записано как
Rx Ь)= м [Х0(t)Х 0(t+ г)] =
Т
"Г J
О
V + х)
Аналогичным образом определя­
ется
взаимная
корреляционная
функция двух эргодпческих стацио­
нарных случайных процессов:
т
^ , ! , W =Т-+
liniT
00 1 J[ х 0(ОУо
О
Иногда под автокорреляционной
функцией понимают автокорреляци
онную функцию нецентрированных
значений случайного процесса
= R x (z) + M*[X]
В этом случае автокорреляцион­
ная функция случайного процесса
содержит информацию и о матема­
тическом ожидании процесса.
Экспериментальное определение
автокорреляционной
функции
в
большинстве случаев связано с из­
мерениями значений автокорреля­
ционной функции при различных
фиксированных т ( 0 ^ т < оо). От­
дельное значение автокорреляцион­
ной функции при данном т носит
название коэффициента корреляции.
При т= 0 коэффициент корреляции
Rx {0)=Dx. При т = оо коэффициент
корреляция для эргодических ста­
ционарных случайных процессов ра­
вен 0. Для 0< т< оо R x (t )^ D [ X ] .
Важным свойством автокорреля­
ционной функции является то, что
она симметрична относительно т,
т. е. Rx (т) =Ях(—т).
В результате измерений получа­
ются оценки математического ожи­
дания и коэффициентов корреля­
ции, которые для непрерывных слу­
чайных процессов и случайных пе­
риодических
последовательностей
имеют следующий вид:
т
О
Т
R *,( х ) =
у -
(
О
i—\
(О
X
+
х)
R *X
=
i= 1
T
R*x, У
(x) = -i- j x 0( 0 ya( - t - x )
0
N
R*X. y{m)= - Ь ^ ХгУг +т\
Q* (z\-- R** CO» o* (m\ -- К**
P xKV— D [ X ] 9 P
D [X J
*
Автокорреляционная
функция
случайного процесса, отнесенная к
его дисперсии, носит название нор
мированной корреляционной функ
ции рДт). По определению 0 ^
< P x ( t ) < 1.
Проиллюстрируем вид автокор
реляционной функции несколькими
примерами (рис. 15-1), взятыми из
[Л. 14-9]. Автокорреляционная функ­
ция процесса x(t) =А =М [X]Rx (x) =
= 0 (для центрированного процес­
са) и R m ,x {^:) = А 2 (рис. 15-1,а).
По мере уменьшения связи меж­
ду значениями реализаций случай
ного процесса (рис. 15-1,6, в) автокореляционная функция приближа
ется к дельта-функции. Для нор
малыюго белого шума автокорреля­
ционная функция представляется
дельта-функцией (рис. 15-1,г ).
Для . синусоидального процесса
автокорреляционная функция будет
равна
ДДт) = (А2/2) cos сот (рис.
15-1,6). Нужно заметить, что вели­
чины, имеющие постоянное значе^
иие или периодический характер,
только формально можно тракто­
вать как случайные процессы, и ав­
то ко ррел я ци оиные фу нк ци и
дл я
этих величин практически новой
информации не несут.
В прикладном корреляционном
анализе довольно часто использует­
ся понятие интервала корреляции.
Под интервалом корреляции [Л.
14-2] понимается значение аргумен­
та автокорреляционной функции т0,
при котором автокорреляционная
функция не превышает некоторого
1 ^ М, ос
и*
■г
У
Рис. 15-1. Вид автокорреляционных функций.
а.
в,
п остоя н н ой величины; б — сл уч ай н ой величины с отн оси тельн о больш им
интер валом
корреляции*
г — то ж е , но с меньшим по сравнению с п р ед ы д ущ и м сл у ч а ем интер валом корр еляции; д —
н у сон дал ь н ой
заранее заданного значения е:
|Р д :(т) | ^ : 8
ДЛЯ Т > Т 0.
Используется также определение
интервала корреляции через инте­
гральное значение автокорреляцион­
ной функции:
т
т
х' = f Px(x) d t ; х " 0 = С | р* (х) |
6
’z" ' o = (
О
Выбор того или иного выражения
для интервала корреляции опреде­
ляется характером прикладных за­
дач.
Так, например, интервал корре­
ляции т'о используется при оценках
математического ожидания случай­
ных процессов, т"0— при* определе­
нии шага квантования по времени
непрерывных реализаций при нали­
чии осциллирующих автокорреляци­
онных функций, То — при оценке эф­
фективности оценок автокорреляци­
онных функций [Л. 14-2].
Остановимся кратко на методи­
ческих погрешностях измерения ав­
то ко ррел яционных функций
При измерении автокорреляцион­
ных функций необходимо учитывать
следующие основные составляющие
мет оД11чее кой погрешиости:
погрешность от влияния кванто­
вания исследуемой величины по
амплитуде;
погрешность, обусловленную ко­
нечным временем Т реализации слу­
чайного процесса или конечным чис­
лом дискрет случайной последова­
тельности N;
погрешность за счет квантова­
ния случайного процесса по аргу­
менту т.
Методические погрешности кор­
реляционных измерений весьма под­
робно рассмотрены в [Л. 14-1—14-6,
14-9—14-11]. Поэтому остановимся
лишь на тех результатах исследова­
ния этих погрешностей, которые не­
обходимы для организации экспери­
ментального определения корреля­
ционных функций.
Погрешность от влияния кванто­
вания исследуемой величины по
амплитуде оказывается незначитель­
ной при относительно невысоких
требованиях к точности измерения
мгновенных значений. Положим,
при квантовании случайного процес­
са образуется шум квантования
n(t). Квантованное по амплитуде
мгновенное значение случайного
процесса будет равно:
x K( t ) = x 0( f ) + M [ X ] + n ( t ) .
В этом случае
/?^(х) = М [* к( 0 * к (/ + х)] =
= М [х0(t) x ( t + v ) + x 0(t) М [X] +
-\-M\X\ xq ( t +т) +
+ M\X\+M[X\n(t+x) +n(t) x
Хх0(/+т) +M{X\n(t) -\-ti{t)n{tJf
+ t )].
Если квантователь имеет шумы
квантования с нулевым математиче­
ским ожиданием, то
M[M[X\n(t + т)]= 0 и
Л 1 [В Д (/ )] = 0 .
Кроме того, М[х0(/Ш Ш ]=0 и
Л1{Л
фО*о(*+т)]=0.
Тогда
+ М 2[Х]+ (Ах)2/12. Если не вводить
поправку на R n {т), то оказывается,
что относительная погрешность б
из-за квантования сигнала по уров­
ню даже при незначительном коли­
честве квантов т имеет небольшое
значение. Так, при т = 4 6 —20%;'
при т = 8 6 —5%; при т= 16 6 =
= 1,2%; при т = 32 6 = 0,3%; при
т = 64 6 = 0,09% [Л. 14-11].
На практике с целью уменьше­
ния влияния возможных отклонений
математического ожидания и плот­
ности распределения шума кванто­
вания' от расчетных значений обыч­
но применяют аналого-цифровые
преобразователи, имеющие 16—64
делений.
При определении оценок авто­
корреляционной функции важно
учитывать погрешности, обусловлен­
ные конечным временем Т реализа­
ции или числом дискрет N случай­
ной последовательности. При про­
ектировании корреляционных ИС
приходится решать также задачу
определения Т или N при заданной
погрешности.
Эта задача может решаться поразному, в зависимости от полноты
априорной информации о виде ав­
токорреляционной функции, кото­
рая должна быть получена в ре­
зультате измерения.
Положим, известна низшая час­
тота сон гармонических колебаний
спектра автокорреляционной функ­
ции. Тогда (Л. 14-9], если ограни­
читься временем реализации 2Г,
COSa>a X - ~ =
== ~2~cos ших — 8r [R х (х)].
\ ( ' ) = RA'') + m *[X] +
+ Rx, пСО + Rn, х( 0 + Rn (*)•
При интервалах квантования
Дх<С^макс можно полагать шум
равномерно распределенным, интен­
сивность шума квантования М[пЧ =
-Я (0 ) = (Д*)2/12> Я я (т).
При
А х / а < 1 взаимная корреляция шу­
ма квантования и сигнала x(t)
практически может не учитываться.
Следовательно,
R x (t ) ^ J ? x ( t ) +
При заданном значении погреш­
ности 6гЦ#*(т)] можно определить
Т:
8r [^x(x)]< 4 ^f = 2*^Г‘
Так, например, при 6г[/?*(т)] =
= 0,02 /Ст$з 8.
Для эргодического стационар­
ного случайного процесса с нормаль­
ным законом распределения и ну-
левым математическим ожиданием
при некоррелированной выборке мо­
жет [Л. 14-11] использоваться сле­
дующее выражение:
(0) ст
i_ = s2
R2X
Н -р’ Ю
N
дрейф характеристик или возникно­
вение помех, коррелированных с
X(t), может вызвать появление зна­
чительных погрешностей.
Степень влияния помех и по­
грешностей существенно зависит от
места их возникновения в системе.
В частности, центрирование случай­
ных величин целесообразно выпол­
нять на входе, а не на выходе ИС.
Точность корреляционных ИС во
многом определяется их принципом
действия. Цифровые ИС имеют
в этом смысле большие преимуще­
ства, при этом их сложность отно­
сительно невелика.
Если объем выборки ограничивается техническими характеристи­
ками аппаратуры, то можно усред­
нить результаты измерения, полу­
ченные на отделйных участках, и
тем самым уменьшить 6(т).
Более* подробно эти вопросы
рассмотрены в [Л. 14-2, 14-5, 14-6,
14-9, 14-11, 14-20]. Интервалы кван­
15-2. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ
тования Ат корреляционной функ­
КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ИС
ции по аргументу выбираются в за­
висимости от допустимой погреш­
Следует выделить два основных
ности восстановления (см. гл. 5)
метода
построения корреляционных
автокореляционной- функции
На
ИС.
Первый
из них связан с изме­
практике при восстановлении авто­
рением
коэффициентов
корреляции
корреляционной функции весьма
и
последующим
восстановлением
часто используются полиномы невы­
всей корреляционной функции. Вто­
сокой степени (в большинстве слу­
рой, разработанный относительно
чаев — первой).
недавно,— с измерением коэффици­
Обычно
для
восстановления
ентов многочленов, аппроксимиру­
Я :':х(т;) с погрешностью около 1—
ющих
корреляционную функцию
2% достаточно на отрезке самой
[Л.14-2,
14-21].
По каждому из этих
высокочастотной составляющей ав­
методов
система
может быть выпол­
токорреляционной функции взять
нена
по
последовательному
или па­
примерно 10 дискрет, для монотон­
раллельному
принципу
действия,
ной по характеру автокорреляцион­
может работать с аналоговыми или
ной функции достаточно взять 10—
кодоимпульсными сигналами, в ре­
15 интервалов Дт, для затухающей
альном времени или с изменением
по гармоническому закону' функ­
скорости и т. п.
ции—30—40 интервалов, для двух­
частотных функций — около 100
а) Корреляционные ИС с последовательным
интервалов и т. п.
измерением коэфициентов корреляции
Наиболее существенные резуль­
таты по анализу аппаратурных по­
Рассмотрим методы построения
грешностей корреляционных ИС по­
систем,, в которых выполняются
лучены в [Л. 14-9]. Остановимся
прямые (некомпенсационные) измекратко на рекомендациях,
полученных в результате
этого анализа. В корреля­
ционных ИС чдаже значи­
тельные внешние влияния,
если они не коррелированы
с исследуемыми процесса­
ми, мало сказываются на
результатах измерений. В Рис. 15-2. Схема, реализующая метод умножения при
то же время небольшой
измерении дискрет автокорреляционной функции.
Нужно, однако, заме­
тить, что коррелометры,
основанные
на таком
принципе действия, не
имеют преимуществ по
точности перед коррело­
метрами с умножением,
а выигрыш по простоте
реализации весьма сом­
нителен.
Коррелометры,
по­
строенные по полярному
Рис. 15-3. Схема, реализующая метод умножения при изме­
рении взаимно-корреляционной функции.
методу* (методу знакосочетаний) [Л. 14-9, 14-11]
рения значений коэффициентов кор­
явЛяются одними из наиболее про­
реляции
стых, но они применяются для ана­
Среди них наиболее распростра­
лиза центрированных нормальных
нен метод умножения. При его реа­
стационарных случайных процес­
лизации используются формулы
сов; Двумерная плотность распреде­
г
ления нормального случайного про­
цесса
tf*X(•*) = 4 “ j -*0 (0 -*0 (* + “0
f(x„
х 2‘
,t) =
о
т
— ______ 1
X
2*a* У 1 - р х2 (*)
. R**.vW = T - § x 0(f)y9(t + x)dt
о
ч.
f X
? —2х,х,р« (t) + х| "I
при фиксированных значениях ар­
X “ ■>{
2 ..П -Й М 1
[•
гумента к Ах, /г= 0, 1, 2
На рис.
15-2 и 15-3 показаны схемы аппа­
где Xi = x(<t)f x2= x ( t + т), определя­
ратурной реализации для измере­
ется значениями нормированной ав­
ния коэффициентов корреляции ав­
токорреляционной функции. Следо­
токорреляционной и взаимно-кор
вательно, если, найти совместную
реляционной функций. Поскольку
вероятность некоторых значений
метод умножения применим для
x{t) и x(t + т) {или y { t + x ) \ то мож­
корреляционного анализа любых
но определить p*(t;). Наиболее про­
стационарных случайных процессов,
сто находятся вероятности совпаде­
то большинство корреляционных ИС
ния (или несовпадения) знаков слу­
построено на его основе.
чайных процессов (рис. 15-4), сдви­
Имеются решения, позволяющие
нутых относительно друг друга на
избежать операции умножения. Они
интервал т [Л. 14-5]:
связаны в большинстве случаев
/>+ + (т) = /7__ (%)= -b-arccos[—р(т)].
с заменой умножения возведением
в квадрат суммы значений x(t) и
x ( t + т). Для стационарных случай­
Отсюда
р (т) = —cos
(т) ].
ных процессов
Структурная схема полярного
коррелометра относительно проста
M [X (0 + * (m )P = 2 D M x
(рис. 15-5). Однако необходимо при­
нимать меры к обеспечению одина­
Х[1 +рх(т)];
ковых частотно-фазовых характери­
стик каналов, исключению связи
М { [* ( 0 + * (/+ т ) ]М * (0 —
между ними, уменьшению дрейфа
нуля
во входных цепях и т. д. Вы­
-Х (* + т )р } = ОД4Х(0Х(*+т)] =
пускаемый серийный полярный кор­
релометр КА-ЗД имеет погрешность
=4р*(т).
i ос; s ig n а?
>
у .
—
/\
7?Х *
\>
------------Ч:----- ►
R * X' y (i) = ± . ^ x ( t ) y K(t + 4)dt =
—
кос) s i g n ос
'Г
о
ла Стилтьеса [Л. 14-11] использует­
ся аналого-цифровой принцип пост­
роения коррелометров в соответст­
вии с выражением
т
т
о
s~ \
f <
T \
У
+ *
о
т
где X (/) = J х (t) dt.
Рис. 15-4. К определению совпадения
о
знаков x(t) и * (/+ т ).
В этом случае предусматривает­
I
ся, что сигнал y{t+%) квантуется
не более 10%, частотный диапазон
по уровню. При равномерном кван­
от 50 до 20 000 Гц и динамический
товании
квантованный
сигнал
диапазон сигналов 100 мкВ—3 В.
Ук^+х) =йАу, т. е. он может быть
При релейном методе использу
принят постоянным в пределах
ются формулы [Л. 14-11]
каждого интервала квантования.
R*x (")
= М [ Х (/) sign
(t + ")] = Следовательно,
ь /
■----- v * -
—3xP.v(*);
R \ , v (т) = M [AXj.) sign Y(t + x)] =
XT ^Px.vWКоррелометры, основанные на
релейном методе, обладают более
высокой точностью по сравнению
с полярным коррелометром и при­
ближаются в этом смысле к корре­
лометрам, основанным на методе
умножения. Следует отметить, что
имеются исследования, направлен­
ные на повышение точности поляр­
ного и релейного методов путем вве­
дения вспомогательных случайных
сигналов п т. п. [Л. 14-11, 14-20].
При измерении коэффициентов
корреляции с применением интегра­
г *i
R * X. V ( ' ) = % -
t0j
x(t)d
1, ^
x (t) d t -Г im
t\
В соответствии с этим выраже­
нием структура коррелометра tm
(рис. 15-6) состоит из схемы пере­
менной задержки по времени сиг­
нала y (t ), простейшего аналогоцифрового преобразователя, элемен­
тов И и устройства интегрирования,
на которое сигнал подается с соот­
ветствующими весами, определя­
емыми значениями сопротивлений
R. Количество элементов И равно
количеству уровней квантования и
обычно невелико (до 10).
Рис. 15-5. Схема полярного коррелометра.
разработаны
значи­
тельно
слабее
по
сравнению с прямыми.
Однако известные до­
стоинства этих мето­
дов, связанные преи­
мущественно с воз­
можностью исключения
ряда погрешностей, за­
ставляют
обратить
внимание на те немно­
гие попытки, которые
Рис. 15-6. Схема коррелометра, основанного на использо­
вании интеграла Стилтьеса.
направлены на созда­
ние компенсационных
<оррелометров.
Установив ключи на входах схе­
Первая попытка создания ком­
мы, можно производить операции
пенсационного коррелометра была
с квантованными по времени сигна­
предпринята в 1958 г. Феем (Л. 14-9,
лами. Аналого-цифровое преобразо­
14-10]. В компенсационном коррело­
вание значений *(■/), взятых через
метре этого типа изменяется мас­
интервал At, позволяет перейти
штаб x(t) в а раз (рис. 15-7). Сле­
к цифровому варианту корреломет­
довательно, на выходе вычитающе­
ра. Можно ожидать, что коррело­
го звена получается сигнал лг(Нметры, основанные на использова­
+ т ) —ax(t).
После
возведения
нии интеграла Стилтьеса, ввиду от­
в квадрат (Кв) и интегрирования
носительной простоты реализации
получается:
найдут более широкое применение,
M[X(t+x)— aX(t)]*=
чем в настоящее время.
Одним из наиболее простых ме­
= D[X][ 1+п2—2ap*(T)L
тодов получения коэффициентов
корреляции является метод диаг­
Изменением а достигается мини­
рамм рассеяния [Л. 14-9]. Он при­
мум значения этого выражения.
годен для анализа случайных про­
При этом учитывается, что d[ 1+
цессов, подчиняющихся нормально­
+ а2—2ар(т)]/Лх=0, а = р*(т). По­
му закону распределения. Основан
грешности выполнения операций
он на том, что сечения нормальной
возведения в квадрат и интегриро­
плотности распределения (при за­
вания в таком коррелометре не име­
данном т) представляют собой эл­
ют существенного значения, а тре­
липсы, отношение главных полуосей
бования к указателю существенно
а и b которых определяет нормиро­
упрощаются, так как определение
ванную корреляционную функцию
/ \ _
1 — (<1/Ь)2
?x. y(v— 1 + (а/Ь)* ’
Фигура Лиссажу, получаемая
с помощью электронного осцилло­
графа, обычно имеет размытый вид.
Для измерения а и b выбираются
линии равной яркости. Подобный
метод пригоден для ориентировоч­
ной оценки значений коэффициен­
тов корреляции.
Компенсационные методы изме­
рения коэффициентов корреляции
186
Рис. 15-7. Схема с минимизацией выход­
ного сигнала коррелометра.
значения р(т) практически не зави­
сит от знания точного значения
минимума, равного jD[X|[1—р2х(т)].
Видимо, этот метод не получил ши­
рокого распространения ввиду труд­
ностей, связанных с выполнением
операций минимизации выходного
сигнала, на что требуются опреде­
ленные затраты времени [Л. 14-21],
и ввиду зависимости уровня мини­
мума от значения сигналов.
Для независимого измерения
коэффициентов корреляции можно
использовать
квазикомпенсационную цепь, изображенную на оис.
15-8 [Л. 14-22, 14-47, 14-48]. На
устройство умножения подаются на­
пряжения U0(t)/2 и (Uo(t)l2) X
X ( z j z ) — U0(t+x), а показываю­
щий прибор реагирует на
k [U] (0 (гк/г) - U 0(t)UQ(t + z)],
где k — коэффициент пропорцио­
нальности.
Изменяя положение подвижного
контакта реохорда, можно добиться
нулевого показания индикатора.
При этом справедливо соотношение
/ V
==
Up (t)Uo V + ±
_
Рис. 15-8. Схема компенсационного корре­
лометра.
сдвигающих цепей, обеспечиваю­
щих изменение фазы каждой со­
ставляющей спектра U0(t) в задан­
ном диапазоне частот на угол я/2
без изменения исходных амплитуд.
Пример реализации таких фазосдвигающих цепей
приведен в
[Л. 14-22]
б) Корреляционные ИС с параллельным
и параллельно-последовательным
измерением коэффициентов корреляции
Zfc
Ul (О
Благодаря использованию ска­
лярных режимов измерения процесс
уравновешивания
измерительной
цепи осуществляется весьма просто
и легко может быть автоматизиро­
ван. Вместо реохорда можно ис­
пользовать дискретный делитель
напряжения и результат измерения
может быть получен в цифровом
виде. Время проведения экспери­
мента практически будет опреде­
ляться временем, необходимым для
выполнения операции осреднения.
Схема, реализующая этот принцип,
успешно использовалась в аппара­
туре для геодезической аэроэлек­
троразведки методом естественных
электромагнитных полей.
Имеется возможность измерения
с помощью такого же метода так
называемых мнимых коэффициен­
тов корреляции при использовании
специальных спектральных фазо-
Преимущества и недостатки ИС
параллельного действия (см. гл. 10)
присущи и корреляционным ИС па­
раллельного действия.
Структурные схемы аналоговой
и аналого-цифровой корреляцион­
ных систем параллельного действия
представлены на рис. 15-9 и 15-10.
Схема аналоговой системы не тре­
бует пояснений. Аналого-цифровая
корреляционная
ИС,
описанная
в [Л. 14-11], позволяет произвести
одновременное измерение 100 коэф­
фициентов корреляции. Частота ра­
боты генератора импульсов от 100 Гц
до 1 Мгц, максимальное время
задержки, создающейся регистрами
сдвига, при этом изменяется от 1 с
до 100 мкс. Кодоимпульсный сигнал
от аналого-цифрового преобразова­
теля поступает на триггерные реги­
стры сдвига, затем — на умножаю­
щие устройства и на интегрирующие
цепочки. Измерение уровней на­
пряжений на конденсаторах произ-
Рис. 15-9. Параллельная аналоговая корреляционная ИС.
водится после выполнения цикла
анализа.
Близкая к этой структурная схе­
ма параллельного действия поляр­
ного коррелометра со вспомогатель­
ными генераторами синусоидаль­
ных сигналов описана в [Л. 14-23].
В цифровых коррелометрах па­
раллельно-последовательного дей­
ствия возможны несколько вариан­
тов структур. В большинстве случа­
ев общими элементами информаци­
онного канала являются устройство
умножения, суммирующее и запо­
минающее устройства. В {Л. 14-11]
довольно подробно рассматривают­
ся возможные режимы работы кор­
релометров
параллельно-последо­
вательного действия. Остановимся
кратко на одном из режимов рабо­
ты такого коррелометра.
После аналого-цифрового преоб­
разования (рис. 15-11) результаты
измерений заносятся в регистры Рх
и Ру. В запоминающем устройстве
ЗУХ хранятся результаты измере­
ний мгновенных значений
взятых ч'ерез интервал времени
Д£ = Дг.
Количество записанных
в ЗУх результатов измерения опре­
деляет количество измеряемых ко­
эффициентов корреляции. В течение
интервала Д^ производится после­
довательное умножение всех запом­
ненных значений xQ(jAt) (i = 0, 1,
2 , . . . т) на реализовавшееся зна188
чение yo(jAt). Полученные произве­
дения [xotiAt)yo(jAt) при i = v аг
и / = const] суммируются и хранят­
ся в ЗУ. После выполнения этих
операций., продолжающихся в тече­
ние At 9 производится измерение
следующих дискретных значений хо
( т + 1, At) и г/0(/+ 1, Д'О- В запо­
минающее устройство ЗУХ заносит­
ся значение х0(т + 1, At) и убира­
ется избыточное. В системе имеется
возможность следить за текущими
значениями коэффициентов корре­
ляции, хранящимися в ЗУ. Обычно
аналого-цифровое преобразование
производится с невысокой точно­
стью, результат измерения пред­
ставляется тремя-четырьмя двоич­
ными разрядами. ’Количество ин­
тервалов квантования корреляцион­
ной функции
100. При таких
данных ЗУ выгодно выполнять на
ферритовых сердечниках.
Устройство умножения должно
обладать быстродействием, обеспе­
чивающим выполнение т операций
за интервал времени At. Если на
выполнение операций умножения
отвести 50 мкс И т = 64, то л ^ МИи =
= 3,2*10-3 с. Отсюда видно, что по­
добный режим коррелометра по­
зволяет анализировать относитель­
но низкочастотные случайные про­
цессы.
Для повышения быстродействия
используются режимы работы Кор-
релометра, при которых Д//то>1.
Тогда количество интервалов кван­
тования т уменьшается, упроща­
ется
запоминающее устройство
ЗУХ1
облегчаются
требования
(по быстродействию) к устрой­
ствам умножения. Однако для
обеспечения
заданной
.погреш­
ности оценки коореляционной функ­
ции необходимо увеличивать дли­
тельность реализаций случайного
процесса.
В качестве умножающих уст­
ройств в ряде коррелометров ис­
пользуются устройства, основанные
на использовании ШИМ-снгналов
Рис. 15-11. Схема цифрового коррелометра.
189
>>
г
г
г г ■ % ГТ Г Г Г Ж
Ж
Ж
™
^ п
у/ г г ■ г г
Y%
'А■ г г ^ ХАЛА YAi YACXA\AvAx\ 1
А
/ ул г г Я к /УА АХ. АХ.
л
16
XAs* I yZL tyliiv
ш Г Г АХ
V ш
щ7 I Г
АлРл 7/ . 1 уАк [уАтА
ц У
2
73 2 г К>
vX кА. \'Ах \ v/\
72
A \v%
vZZ ут/Л
г
71
1
10 7/2 п 77 %
9 А *7}
(А
8 щл
1
У/уА
n
АуА
vyya
I vA7/
/л А Л
л.
1
V/Z/7/X i ■
1 Л/Л/А
V/
Y/
za
ZAZ
1
T
y
/Y/
a
A/
5 £ 2 'А £
4 <АА.
Л
3 У/ ' у ZYA1
Г
''ЛА
j т ^
т
А
%//У/7Л
1
Г/
А
А / т з 22л
л.
7
6 2 /,
{ 7 2 3 4 5 6 7 6 3 70 72 74 76 18 20
Рис. 15-12. Матрица умножения.
14-П, 14-26], матричные множи­
тельные устройства и др.
Остановимся кратко на принци­
пе действия матричных множитель­
ных устройств [Л. 14-24, 14-25].
Матричные умножители относятся
к устройствам в которых при по­
даче на входы матричного устрой­
ства сигналов, соответствующих ко­
дам чисел х и у (в единичном ко­
де), образуется цепь, выдающая
сигнал, обозначающий значение
предварительно подсчитанных про­
изведений кодов х и у. На рис.
15-12 показана матрица умножения,
на которой выделены зоны равных
значений произведений кодов х и у,
объединенных с учетом заданных
погрешностей округления резуль­
тата.
До сих пор рассматривались кор­
релометры, предназначенные для
работы со случайными процессами,
реализации которых представлены
в виде электрических сигналов. Од­
нако большое количество реализа­
ций может быть дано в виде гра­
фических материалов. Известны
коррелометры параллельного и па­
раллельно-последовательного дей­
ствия, выполненные с применением
оптических средств восприятия и
обработки таких графических ма-
териалов {Л. 14-27]. Оптические уст­
ройства для статистической обра­
ботки графиков позволяют обеспе­
чить высокое быстродействие при
относительно невысокой сложности.
Для корреляционного и вообще ста­
тистического анализа с помощью
оптических устройств целесообраз­
но использовать специальные фор­
мы представления анализируемого
графического материала (теневые
графики, кодовая регистрация и
т. д.) [Л. 14-28, 14-29]. Для стати­
стической обработки графических
материалов весьма широко исполь­
зуются сканирующие ИС, рассмот­
ренные в гл. 11, а также их много­
численные разновидности ![Л. 14-30].
в)
К ор р ел я ц и он н ы е ИС с и зм ер ен и ем
к оэф ф и ц и ен тов м н огочл ен а,
а п п р ок си м и р ую щ его к ор р ел я ц и он н ую
ф унк цию
[Л .
190
Оценка корреляционной функции
может быть представлена в виде
аппроксимирующего
многочлена
(см. гл. 5)
R*x{i)= 2 ^ k<f>k
fc = 0
где
Too
о
Too
=
0
4 -jjH xo(t)xo(t— 't)?h(i)dtd* =
о0
T
00
=-J- j •*„ ( 0 j
it—
dx,
x ) <Pfc (x )
0
0
здесь {фь(т)} — система неслучай­
ных функций, чаще всего ортого­
нальных.
00
Нетрудно заметить, что
j " х 0у —
о
—т)фй(т)с?т является откликом ли­
нейного ортонормированного фидьтра Ф при подаче на его вход сигна­
ла x0{t) (рис. 15-13). Следователь­
но, при применении цепочки ортонормированных фильтров отпадает
Общий член ортогональной функ­
ции Лаггера:
? к Н = К Г в - “'/2,
Рис. 15-13. Схема включения ортогональ­
ного фильтра.
необходимость в специальных уст­
ройствах, создающих запаздывание
г. В [Л. 14-21] приведены результа­
ты исследования, направленного на
создание коррелометров, в которых
используется разложение корреля­
ционной функции по полиномам
Лаггера. В этом случае ортогональ­
ные фильтры должны иметь переда­
точную функцию
где р — оператор дифференцирова­
ния; р — коэффициент.
а корреляционная функция может
быть восстановлена при известных
коэффициентах Cjt как
я * , (Х>=
C kU (ах) е"м/2
k=0
Упрощенная схема корреломет­
ра ЭКС, основанного на использо­
вании этого алгооитма, представле­
на на рис. 15-14. Цепочка фильтров
7, (3, 5, 7 и буферных каскадов 2, 4У
6, 8 выделяет &-е составляющие
оо
f Xо (t — т) ?к (х) dx.
0d
После умножения на yo(t) эти про­
изведения усредняются с помощью
Рис. 15-14. Упрощенная схема коррелометра с аппроксимацией.
блоков интегрирования 11— 14, с по­
стоянной времени, устанавливаемой
от 20 до 200 с. В качестве блоков
умножения используются устройст­
ва, работающие по алгоритму:
[М
О
+ x 0{t—x)]2—
—[МО—Mt—'г)]2-
в ряд Фурье — Уолша [Л. 14-31 —
14-33] и Хаара [Л. 14-34].
В заключение нужно подчерк­
нуть, что коррелометры, основанные
на методе аппроксимации, займут
в дальнейшем видное место при
анализе случайных процессов.
15-3.
П Р И М Е Р Ы
П Р И М Е Н Е Н И Я
К О Р Р Е Л Я Ц И О Н Н Ы Х
Для возведения в квадрат слу
жат нелинейные сопротивления ти­
па НПС-50-1-3,25. Дисперсия Ry (0)
получается с помощью множитель­
ного устройства и усредняющего
усилителя 15. Сопротивления R и
емкости С в фильтрах имеют пере­
менные значения, позволяющие ана­
лизировать случайные процессы в
диапазоне от 1 до 24 Гц. Если из­
вестна наивысшая частота исследу­
емого процесса, то постоянная вре­
мени фильтра определяется из соот­
ношения
Опыт работы на коррелометрах
подобного типа по данным, приве­
денным в [Л. 14-21], показывает, что
для
измерения
корреляционной
функции достаточно производить
обработку реализации случайного
процесса в количестве 3—5 раз.
Интервал усреднения выбирается
при заданной среднеквадратичной
погрешности б, верхней граничной
частоте соп из выражения Т ^
>8/сопб2 (при нулевой нижней час­
тоте процесса).
Для представления (восстанов­
ления) всей корреляционной функ­
ции по известным коэффициентам
С/{ может быть использована та же
схема коррелометра, но в ней ко
входам вместо М О подается б(/) —
импульс а на вторые входы мно­
жительных устройств—коэффпциен
ты С/ц выходные сигналы множи­
тельных устройств поступают на
усредняющее устройство.
Перспективные возможности от­
крываются при применении разло­
жения корреляционной функции
1Я2
И С
*
Как уже говорилось, корреляци­
онный анализ случайных процессов
применяется весьма широко в раз­
личных областях науки и техники.
В частности, привлекает внимание
возможность использования в ИИТ
«фильтрующих» свойств, заложен­
ных в корреляционном анализе,
с целью выделения полезных детер­
минированных сигналов нй фоне
помех.
П ол ож им, имеется пери оди ческий (например, синусоидальный)
сигнал z(t) и стационарная слу­
чайная помеха */(•/), аддитивная по
отношению к полезному сигналу и
имеющая конечный интервал’ кор­
реляции
Тогда оценка автокорреляцион­
ной функции x(t) =z(t) + у (/) будет
равна:
т
/?%W = ^ J [ 2 ( 0 + y (0 ]X
о
X И * + г) + + Т)1 * =
Т
оу.
=4" J
2(
0
г”
Ь
х)dt -Т
т
+
j
' y ( t ) y ( t + x )d t +
О
т
о
Т
л
Поскольку сигнал и помехи не
коррелированы, то два последних
интеграла равны нулю Следова­
тельно,
R \ ( t ) = R * z(%)+R*y(T).
При
т > т 0у
R*y(r>Xoy) ~ 0
и
/?**(т>тоу)«/?**(т).
Таким образом, проведя измере­
ние корреляционной функции при
т>тоу,
можно
«отфильтровать»
влияние помехи
Значительное уменьшение време­
ни анализа в этой ситуации может
быть получено при применении до­
полнительного генератора, повторя­
ющего полезный сигнал%(t) —k z (/),
и измерения взаимной корреляци­
онной функции процессов %(t) и
x(t):
т
/?% xW = -rJ tz.(0+ ^(0]X
X Z (* + *) dt =
R*Z' г(х) +
+ *%.*<*>*= * * * > )•
Генератор функции %(/) по су­
ществу является аналогом фильтра
с узкой полосой пропускания при
частотном методе фильтрации. По­
добные методы используются с це­
лью уменьшения влияния случай­
ных аддитивных помех в измери­
тельных „ усилителях [Л.
14-35,
14-36], для определения источников
шумов (например, в технической
диагностике) и т. п.
Б. С. Синицыным высказывалась
мысль о возможности использова­
ния этих методов для построения
помехоустойчивых устройств срав­
нения уравновешиваемых измери­
тельных цепей с параметрическими
датчиками, поскольку питание та­
ких цепей имеет известный и детер­
минированный характер.
Продолжаются применение и
разработка корреляционных мето­
дов защиты от помех при геофизи­
ческой разведке полезных ископа­
емых электромагнитным способом
[Л. 14-37, 14-38].
Кроме уменьшения влияния по­
мех корреляционные методы могут
быть использованы и в качестве
13—741
Рис.
15-15.
Корреляционный измеритель
скорости проката.
основы для построения измеритель­
ной аппаратуры. Так, например, из­
вестны корреляционные измерители
скорости движения горячего и хо­
лодного металла при прокатке, суд­
на, самолета и пр. [Л. 14-39]. Суть
их работы (рис. 15-15) заключается
в .большинстве случаев в том, что
имеются два приемника ФЭ[ и ФЭ%
сигнала, отраженного от некоторой
поверхности, перемещающихся от­
носительно нее со скоростью v, ко­
торую необходимо определить. На
выходе приемников будут форми­
роваться зависящие от свойств от­
ражаю щей поверхности сл уча йны-е
процессы, сдвинутые между собой
на интервал времени тп. Если рас­
стояние между приемниками отра­
женного сигнала постоянно и равно
d, то, измерив тп, можно опреде­
лить скорость v = d/тп.
Учитывая, что автокорреляцион­
ная функция этих случайных про­
цессов имеет максимум при т71,
имеется возможность аппаратурным
путем изменять запаздывание слу­
чайного процесса в канале X(t + т)
и добиваться на выходе коррело-
метра максимального значения ко­
эффициента корреляции. Функцио­
нальная схема корреляционного из­
мерителя скорости движения про­
ката представлена на рис. 15-15. По
данным, приведенным в [Л. 14-38},
погрешность измерения скорости
движения металла М 36 м/с не пре­
вышала 0,1%. Время, необходимое
для получения результата измере/
ГЛАВА
ния, при таких скоростях составляет
(при автоматической работе) доли
секунды.
Рассмотренными примерами, ви­
димо, не ограничивается примене­
ние корреляционных методов в
ИИТ. Однако сказанного достаточ­
но, для того, чтобы показать целесо­
образность расширения области их
применения в ИИТ.
ШЕСТНАДЦАТАЯ
СИСТЕМЫ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА
16-1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Системы спектрального анализа
предназначены для количественной
оценки спектральных характеристик
измеряемых величин.
Напомним основные определе­
ния спектральных характеристик
[Л. 14-1—14-6, 14-12, 14-40, 14-45].
Известно, что абсолютно инте­
грируемые функции, удовлетворяю­
сь
щие условию
J х (t) dt < оо, могут
—00
быть представлены в виде интеграла
Фурье
jS(/co)e/fflW
—00
Функция 5 (/о) называется к о мп л е к с н ым
с пе к т ро м,
или
спектральной плотностью
а м п л и т у д , и равна:
00
x(t)=
^ x ( t ) e ~ ialdt.
—00
Непосредственное использование
интеграла Фурье к случайным про­
цессам затруднено, так как соотно­
шения между амплитудами и фаза­
ми колебаний различных частот
случайных процессов неопределенны.
Поэтому при спектральном анализе
случайных процессов определяется
спектральная плотность мощности
(энергетический спектр). Для ста­
ционарных эргодических случайных
194
процессов спектральная плотность
мощности
c,(.)=ita№JL'.
Т-* оо
1
Оценка спектральной плотности
мощности
Необходимо отметить, что в
спектральном анализе применяется
не только спектральная плотность
мощности одного процесса, но и
взаимная спектральная плотность
мощности реализаций двух процес­
сов.
Взаимная спектральная плот­
ность есть комплексная величина
@х,у
(со) = С х ,у (б))
j Qx , y
(со) ,
где синфазная составляющая
т
С*,у(/) = Птд^г
д/->о
f ,"ДОХ
о
Х у V, f, M) dt ,
квадратурная составляющая
т
Qx,y(f) = lirn
f, Д /)Х
О
Х у it. f, &f)dt,
где у (t , f, Af) — функция, сдвинутая
на 90° относительно y (t, f, Af).
В соответствии с теоремой Ви­
нера — Хинчина
энергетический
а)
6
Рис. 16-1. Равномерная спектральная плот­
ность мощности
и соответствующая ей
корреляционная функция (б).
(а)
Рис. 16-2. Спектральная плотность мощно­
сти с разрывом в точке со0 (а) и соответ­
ствующая ей корреляционная функция (б).
спектр и автокорреляционная функ­
ция связаны между собой преобра­
зованием Фурье:
00
Gx ( a ) = j Rx (-с) exp (—/шт) dz
-с о
00
--
= 2 j* Rx (т) cos от/то
Рис. 16-3. К выделению
элемента <?ad(со) rfco.
oo
Rx (**)*=-£■ j Gx (a) exp (/cot) do =
—00
00
=
—
J
G * (°*>) C O S a n d a ) .
0
Проиллюстрируем связь между
/?х(т) и Gx(t) несколькими приме­
рами.
Если Rx (x) является убывающей
функцией с увеличением т, то Gx (со) —
функция,
убывающая по мере
увеличения' со. Если Rx (x) прибли­
жается к 6-функции, то Gx(co) —
к равномерному «белому шуму»
(рис. 16-1). Если x(t) помимо слу­
чайной составляющей содержит пе­
риодическую составляющую с час­
тотой соо, то спектральная плотность
мощности имеет разрыв непрерыв­
ности в точке со0 (рис. 16-2).
При т = 0
00
D \ X \ = M[X'-{t))^ ± j G » d ® f
—00
т. е. элемент Gx(co)dco определяет
составляющую M[X2{t)] от комплек­
сной частоты со (рис. 16-3). Таким
образом, спектральная плотность
мощности описывает частотное рас-
пределение средней мощности слу­
чайного процесса.
При спектральном анализе ис­
пользуется выражение для норми­
рованной спектральной плотности
мощности:
Нормированная- спектральная
плотность связана с нормированной
корреляционной функцией следую­
щим образом;
Р* (О = 4" j*
13*
00
gx
О
И
COS andm ;
со
g x ( cd) =
При т = 0
~
2
J рх ( т )
c o s wzdx,
0
00
£ &
( “ )
dm = l.
6
16-2. АППАРАТУРНЫЕ МЕТОДЫ
ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ
ПЛОТНОСТИ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ
Существующие методы спект­
рального анализа основываются на
применении частотных фильтров или
Рис. 16-4. Схема параллельного фильтро­
вого спектрального анализатора.
на использовании ортогональных
преобразований случайного процес­
са и преобразований Фурье над из­
вестной автокорреляционной функ­
цией /?гс (х) При параллельном фильтровом
анализе (рис. 16-4) наибольшее при­
менение получили полосовые изби­
рательные фильтры-резонаторы. На
выходе каждого фильтра, пропуска­
ющего узкую полосу частот с о ф , пос­
ле возведения в квадрат и интегри­
рования получается составляющая
спектра
D ГУ] ((Оф)
G x Н > )
СО
j Л2 (соф) dm
где / 1 ( © ф ) — частотная характери­
стика фильтра.
При последовательном анализе
используются
перестраиваемые
фильтры и гетеродинные анализа­
торы (рис. 16-5) Гетеродинные ана­
лизаторы находят большее примепение, так как они проще в техни­
ческой реализации. В них с помо­
щью генератора периодических ко­
лебаний с перестраиваемой часто­
той — гетеродина происходит после­
довательный сдвиг частотного спек­
тра исследуемой величины и выде­
ление из него с помощью полосово­
го (обычно резонансного) фильтра
составляющих энергетического спек­
тра.
Применяются также анализато
ры последовательно-параллельного
принципа действия [Л. 14-6].
Разрешающая способность филь­
тровых анализаторов определяется
наименьшим частотным интервалом
А/, в пределах которого смежные
компоненты спектра различимы, за
висящим обычно от полосы пропус
кания избирательного фильтра, взя
той на уровне 0,7 максимального
значения его амплитудно-частотной
характеристики (рис. 16-6).
При параллельном анализе вре
мя анализа Гпар определяется вре­
менем
установления
колебаний
в фильтрах с заданной степенью
приближения амплитуды колебания
фильтра к своему максимальному
значению Лмакс=1’-
Гпар='M=A/Af.
Разрешающая способность и вре­
мя анализа [Л. 14-40] связаны соот
ношением Д/Д/=71 = const, показы­
вающим, что нельзя одновременно
улучшать обе эти характеристики.
При последовательном анализе,
используемом для выявления со­
ставляющих дискретных спектров,
время анализа (при полосе иссле­
дуемого спектра, равной /) будет
равно:
Ги0сл = At f _ Af
*f 6V)2 *
Рис. 16-5. Схемы спектральных анализаторов с перестраиваемым фильтром (а) и с гете­
родином (б).
Рис. 16-6. К определению полосы
пропускания резонансного филь­
тра.
Для уменьшения времени после­
довательного анализа широко ис­
пользуется изменение частотного
масштаба исследуемого процесса,
например скорости его записи и
воспроизведения [Л. 14-46]. При
этом 5 И(/со) —kS (jcak) ,
/7'1 _ Akf
(k±f)~
^ДОСЯ
k #
спектрального анализа одиночных
импульсов выпускаются анализа­
торы параллельного действия с
коммутаторами и регистрирующими
устройствами (например, АСОИ-1,
имеющий 8 каналов, погрешность
измерения суммарного значения
спектральных составляющих — по­
рядка ±20% ’, время анализа от 300
до 500 мс).
Бесфильтровые методы спект­
рального анализа в большинстве
случаев основаны на определении
коэффициентов ряда Фурье {Л.
14-45]. Как известно, модуль теку­
щего спектра амплитуд описывается
выражением
|S(m)| = K * > ) + £ > ) ,
где
г
А (ш) = - Ь
о
(0 cos
dt
Если k > \ , то время анализа
уменьшается. Для изменения скоро­
стей записи и воспроизведения ис­
В (ш) = -^г- J*jt (t) sin Ы dt.
пользуются магнитная запись, запо­
о
минающие
электронно-лучевые
Структурная схема устройства,
трубки, рециркуляционные линии
реализующего это выражение, при­
задержки и т. п. Отношение скоро­
ведена на рис. 16-7. В случае па­
стей А от 100 до 10 000 удДется по­
раллельного анализа анализатор
лучить при анализе квантованных
состоит из набора таких устройств,
по времени дискретных последова­
а генераторы имеют разные фикси­
тельностей и кодоимпульсных сиг­
рованные частоты. В [Л. 14-2] пока­
налов.
зана возможность выполнения спек­
Отечественной промышленностью
трального анализа при использова­
выпускаются гетеродинные анали­
нии ортогональных фильтров Лазаторы спектра СКЧ-3, СЧ-7, СЧ-12,
СЧ-14, СЧ-16 и др., пере­
крывающие широкий ча­
стотный диапазон иссле­
дуемых
электрических
сигналов (от 20 кГц до
7500 МГц), а также ана­
лизаторы гармоник С5-1,
С5-2, С5-3 и др., предна­
значенные для анализа
спектров периодических
колебаний [Л. 14-6]. По­
грешности спектрального
анализа по амплитуде
около 1—5%, по часто- Рис ,fi7 Схема бесфильтрового спектрального анализа­
те — около 2—5%. Для
тора.
герра. Представляется возможным
использование разложения Фурье—
Уолша (см. гл. 15).
Достоинства бесфильтровых ана­
лизаторов связаны с получением
высокой разрешающей способности,
что позволяет их использовать для
детального анализа отдельных уча­
стков спектра.
Более подробное изложение ма­
териалов по спектральным анализа­
торам и анализу их погрешностей
можно найти в '[Л. 14-1—14-3, 14-5,
14-6, 14-12].
В. Р А З Д Е Л Ь Н О Е И З М Е Р Е Н И Е З А В И С И М Ы Х В Е Л И Ч И Н
ГЛАВА СЕМНАДЦАТАЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯ
ЗАВИСИМЫХ ВЕЛИЧИН
Если исследуемое явление или
объект характеризуется множеством
параметров х = {хг-}г=1,
п и эти
параметры независимы друг от дру­
га, то в этом случае можно при на­
личии селективных датчиков произ­
вести прямые измерения значений
Х{. При независимых Хи но неселек­
тивных датчиках, сигналы на выхо­
де которых будут содержать со­
ставляющие от нескольких величин,
встает задача ' выделения (автономизации) каждой измеряемой вели­
чины Xi. При независимых и одно­
родных элементах множества х, на­
пример, при измерении весомого со­
держания компонентов смеси, необ­
ходимо переходить к преобразова­
нию множества х в иное вспомога­
тельное множество параметров z
(этими параметрами могут быть,
положим, электропроводность, теп­
лопроводность и т. п.). Тогда, как
правило, появляются зависимости
типа Zi=tyi(x 1, *2, . . Хп) и возника­
ет задача раздельного измерения
величины Xi с использованием мно­
жества Z.
Если же элементы множества х
между собой связаны, т. е. Xi =
—q>i(*i, *2,
*п), то необходи­
мость решения задачи раздельного
измерения величин Х\ очевидна.
По характеру зависимости ср и
ф могут быть линейными и нелиней­
ными, постоянными и переменными.
Видимо, нет нужды говорить о раз­
личной трудности выполнений изме­
рений при различных видах этих
зависимостей.
Методы и технические средства
измерений будут во многом опреде­
ляться полнотой априорных сведе­
ний о характере зависимостей <р или
ф, о числе составляющих множеств
z и х, их физической природе и т. п.
В случае неполной начальной ин­
формации (в рамках выбранного
метода измерения) ИС должны быть
построены таким образом, чтобы в
процессе измерения обеспечивалось
получение недостающих сведений.
Известны два основных метода
решения задачи разделения (автономизации) и измерения зависимых
величин. Первый из них связан с со­
ставлением и решением системы
уравнений, учитывающей известные
зависимости
между величинами,
второй — с применением модели ис­
следуемого объекта.
Остановимся на первом методе.
Имеется
множество
однородных
величин x = {xi}n, причем известно,
п
что 2 X i = 1. Нужно произвести изi=i
мерение значений каждой величины
Xi. К этому случаю сводятся изме­
рения массы или концентрации со­
ставляющих газовых, жидких, сыпу­
чих или твердых смесей. Если зара­
нее, например экспериментальным
путем,
определены
зависимости
между {Хг}п и множеством других,
не однородных с ними по физиче­
ской природе величин te;}m, отра­
жающих измеряемые свойства ис­
следуемого объекта, то можно со-
вами аддитивности, то
уравнений примет вид:
ставить систему уравнений:
* 2, •••» х п)\
Z2— Фа (Л'п Х2у•• х тг)у
2т = ф;„(ЛГ1, х,,
Хг);
S ^ = i.
i=l
В наиболее простых случаях при
линейных зависимостях фц эти урав
нения могут быть алгебраическими
Реализация метода возможна
если:
1 Число вторичных величин Zj,
подлежащих непосредственно пря­
мым измерениям, и функций ф^ равно
или больше числа неизвестных хг*,
ai*i+
a2x -zfа3х 3= z,;
M i + M a + M s = 2 a; >
x i“Г х г "Г х г = ^•
J
В этой системе коэффициенты
01, 02, 0з и b1, 62, Ьз известны; zi и г2
измеряются в процессе экспери­
мента.
Решение этой системы:
Zi
X
дгх dz,
d x t дх2
dz2 dz2
дхл 0x2
dzx
dZm dzm
дхх dx2 *
b_Zm
dxn
dz2
По существу, это требование
сводится к независимости функций
ypj и разной чувствительности Zj
ОТ Х{.
Приведем примеры реализации
этого метода. Допустим, необходимо
измерить процентный состав ком­
понентов водного раствора серной
и азотной кислот [Л. 17-1].
Если выбраны для измерения
физические параметры раствора Zi
и z2 (положим, электропроводность
и плотность), обладающие свойст­
Cl з
й2
GZ
fa ~ _Ь± Ь2— Ь2 _
а х — аг а2 — а
1
b1
Ь3 Ьо— Ь3
— а1^1 “Ьр122~Ь^1
п
т. е. с учетом уравнения^ x i = l
i=i
выполняется неравенство т ^ ( п —
— 1). Если т < ( п —1), то система
уравнений недоопределена1 и зада­
ча разрешима не полностью
2. Зависимости *i|)j и их произг
водные d\pj/dxi существуют и непре­
рывны на участке возможных реше­
ний системы уравнений.
3. Функциональный определитель
(якобиан) системы уравнений не
равен тождественно нулю на участ­
ке возможных решений:
система
х2
a, — «3
a3
—
b3
bi
?2 — b,
a x — a z 02 -- а з
— bz b2 — ь,
= *2*1 +р2^2 + Х2;
Х3= 1 - ( Х г + Х2).
При известных коэффициентах а
и b и известных z i и z2 определение
jci, хг* *3 может
производиться
с помощью номограммы (рис. 17-1)
или относительно простых вычисли
тельных устройств (рис. 17-2).
По такому принципу работают
устройства, предназначенные для
измерения концентрации алюминие­
вого раствора, экспрессного анали­
за тройных водно-солевых раство­
ров (по измерению плотности и
коэффициента преломления) и др.
Рис.
17-1.
Определение концентраций
номограмме.
по
Рис. 17-2.
Схема
вычислительного
устройства для измерения концентраций
трехкомпонентной смеси.
Нужно заметить, что помимо
плотности, электропроводности, пре­
ломления часто используются изме­
рения теплопроводности, вязкости,
скорости распространения и погло­
щения ультразвуковых колебаний,
поглощения и рассеяния радиоак­
тивных излучений и др.
На использовании измерений по­
глощения и рассеяния радиоактив­
ных излучений работают у-абсорбциометры [Л. 17-3]. При облучении
анализируемого вещества радиоак­
тивным излучением часть потока
поглощается, часть рассеивается и
часть проходит через вещество.
Интенсивность поглощения и рас­
сеяния зависит от атомной массы
элементов.
Ослабление происходит по закону
I ^ 10е ~ ' ^ , где /о—начальная интен­
сивность излучения, р, — коэффи­
циент ослабления излучения веще­
ством, р — плотность вещества, d —
толщина слоя вещества. Коэффи­
циент ослабления является функ200
цией энергии излучения £ , атомной
массы вещества А и атомного но­
мера вещества г. При различных
энергиях излучения коэффициент
ослабления зависит от различных
эффектов. При малых энергиях Е
порядка 0,1—0,01 МэВ преобладает
фотоэффект (вырывание электронов
ИЗ обОЛОЧКИ), Д Л Я кОТОрОГО |1 ф ~
«<рi(E)z*/A\ при средних энергиях
0 , 5 ^ £ ^ 1 МэВ — комптон-эффект
(отклонение гамма-кванта) — рк~
^ ц ^ ( Е ) г / А и при больших энергиях
£ > 1 МэВ — образование пар элек­
трон—позитрон—\1и~<рз(Е)22/А. Об­
лучая /г-компонентную смесь пооче­
редно от т источников у-излучения
с различными уровнями энергии Е
и измеряя р, можно получить необ­
ходимые данные для составления и
решения системы уравнений.
Подобный метод, но при исполь­
зовании световых потоков с разны­
ми длинами волн для освещения
исследуемой среды используется
для определения состава пульпы,
состоящей из сульфита магния и
магнезита в воде ![Л. 17-3]. В каче­
стве параметров смеси, аддитивно
зависящих от концентрации сульфи­
та, выбраны при этом оптические
свойства пульпы. Относительная
приведенная погрешность измере­
ния концентрации MgO в диапазоне
4—8% и M gS03 в диапазоне 7—12%
составляет не более 2% при изме­
нении дисперсности частиц от 100
до 300 мкм.
На практике весьма часто связь
между концентрациями компонен­
тов Xi и измеряемыми параметрами
носит нелинейный характер. В этом
случае имеется возможность аппро­
ксимации этой зависимости много­
членами. В [Л. 17-4] приводятся
данные, показывающие, что в ряде
практически важных случаев изме­
рения концентрации состава слож­
ных смесей достаточно применять
приближение многочленами третьей
степени. Для алюминатных раство­
ров (в случае измерения электро­
проводности и скорости ультразву­
ка в растворе) при введении в си-
стему уравнений в качестве пара­
метра температуры погрешность
определения концентрации с куби­
ческой аппроксимацией не превы­
шает 1—1,5% измеряемого диапа­
зона.
Для i-то . компонента смеси
в этом случае решение может быть
найдено в следующем виде:
Xi — d[Q-j- at z x-f- df2Z2-f- di3z3
a i\\Z j +
dil2Z,Z2 - f aU3z xz3 +
+
+
+
СЦ22г2 +
^ /
111^2 + a t222zl +
dU ,2Z\ Z2 +
а /ззг з
+
di23z2z3 - f
а 7зззг з
+
diuzz\ Z3 -\ -d il22ZxZ2 - f
133^1^3
^ ‘233^2^3
рения зависимых величин, кото­
рый назовем условно
методом
моделей. Этот метод весьма полно
исследован и давно используется
в электроизмерительной технике
для раздельного измерения актив-,
ной и реактивной составляющих
комплексных сопротивлений и на­
пряжений [Л. 17-12, 17-13]. Действи­
тельно, в самом общем виде мосты
и компенсаторы переменного тока
содержат модель измеряемого объ­
екта (сопротивления или напряже­
ния), известные параметры которой
сравниваются с неизвестными пара­
метрами объекта. При достижении
определенных соотношений между
ними (в равновесном режиме — ра­
венство этих параметров) результат
измерения определяется по извест­
ным параметрам модели.
Мостовые и компенсационные
схемы переменного тока являются
частными вариантами реализации
метода структурных моделей, ис­
пользуемого для раздельного изме­
рения зависимых величин. На объект
исследования и модель объекта
(рис. 17-3) подается внешнее воз­
действие. Реакции объекта и моде­
ли сравниваются, затем параметры
модели изменяются до тех пор, пока
между ними и параметрами объекта
не будут йыполнены определенные
+ ^2223^2 г з + ail23z xz2z3.
В [Л. 17-5] приведена структур
ная схема контрольно-измеритель­
ной системы параллельно-последо­
вательного действия, позволяющей
производить измерение и контроль
состава трехкомпонентных раство­
ров
глиноземного
производства
в 15 сечениях технологической ли­
нии за время, не превышающее
2 мин
Для анализа состава многоком­
понентных сред широко’использует­
ся также измерение реакции среды
на электромагнитное мно­
гочастотное воздействие
[Л. 17-7, 17-8]. Такой ме­
тод анализа получил на­
звание многочастотного.
Известны его применения
для' измерения физико­
химических свойств ста­
ли,
влажности
зерна
и т. п
Более полные данные
об ИС, основанных на
использовании метода со­
ставления
и
решения
уравнений, читатель мо­
жет найти в [Л. 17-6—
17-8].
В н е ш н е е в о зд е й с т в и е
Перейдем к краткому
изложению сути второго Рис. 17-3. Структурная схема устройства с моделью
метода раздельного изме­
объекта.
у, ^ ~ \ У*
к ^е
Mi
Уг /—\ У*
&
н
//
./ *Уп
/ ^ “\Уп
К")
Г7
Mi
Xj
ш3г
Хп
Мп
Поиск
кладных
индукционных
датчиков [Л. 17-7, 17-8].
При п ^ З схемы для
раздельного
измерения
зависимых величин суще­
ственно
усложняются.
При
автоматическом
уравновешивании с изме­
нением параметров струк­
турной
модели
могут
быть использованы мето­
ды автоматического по­
иска: наискорейшего спу­
ска, градиента Гаусса —
Зейделя и др. (см. гл.
П).
В последние
годы,
особенно в связи с за­
просами. микроэлектроники, раз­
вивался метод моделей примени­
тельно , к раздельному измере­
нию параметров
многополюсни­
ков. Общие закономерности для
линейных систем были рассмотрены
в [Л. 17-9]. Цикл работ по много­
мерным электроизмерительным уст­
ройствам сравнения был проведен
под руководством проф. Л. Ф. Ку­
ликовского и доктора техн. наук
Б. Я. Лихтциндера. По существу
многомерные электроизмерительные
устройства сравнения основаны на
методе моделей компенсационного
типа (рис. 17-3).
В работе [Л. 17-17] обобщены
основы построения, исследованы во­
просы чувствительности, сходимости
и устойчивости процессов уравнове­
шивания при применении итера­
ционного процесса, произведен ана­
лиз
погрешностей
многомерных
электроизмерительных
устройств
сравнения. Кроме того, приведены
данные разработанных устройств
для измерения контроля элементов
радиоэлектроники, сеточной модели
и т. д.
Метод моделей используется
в целях идентификации динамиче­
ских объектов [Л. 17-10, 17-16,17-18,
17-19].
Помимо названных методов раз­
дельного измерения взаимосвязан­
ных величин следует отметить ме-
Рис. 17-4. Структурная схема ИС с моделями, датчиков.
соотношения. За меру близости па­
раметров объекта и модели можно
принять например, средний квад­
рат разности сигналов.
На рис. 17-4 представлен слу
чай, когда зависимость между из­
меряемыми величинами обусловле­
на свойствами объекта исследова­
ния и неселективностью датчиков.
Тогда при построении структурной
модели необходимо учитывать функ­
циональные зависимости между из­
меряемыми параметрами в объекте
исследования и передаточные функ­
ции первичных измерительных пре­
образователей. Если же зависимость
между величинами
обусловлена
только неселективностью действия
датчиков, то структурная модель,
как правило, содержит модели дат­
чиков М.
На рис. 17-4 устройство Fi слу­
жит для формирования функции
Q{xi*, хг*у . . . , Хп*), экстремальное
значение которой подлежит нахо­
ждению, устройство Р2 определяет
(посредством пробных изменений
{*»}) направление изменений {Хг*}п;
имеется также устройство управле­
ния генератором сигналов {хг*}п,
учитывающее результаты работы F2.
Структурные модели «датчик —
изделие» используются при измере­
нии физико-химических свойств ме­
таллов с помощью многочастотных
воздействий и с применением на202
Рис. 17-5 Структурная схема ИС с прямыми (а) и обратными (б) перекрестными свя­
зями.
тод, направленный на уменьшение
количества взаимных связей в слож­
ных электрических цепях и расчле­
нения многополюсников на незави­
симые двухполюсные цепи [Л. 17-20].
В шунтирующей ветви для этой
цели организуется режим электри­
ческого разрыва цепи путем дости­
жения равенства потенциалов двух
ее полюсов (с помощью дополни­
тельного источника питания). Если
многополюсник имеет звездообраз­
ное соединение плеч, то можно со­
здать искусственный режим корот­
кого замыкания одного из плеч
многополюсника и фиксации на
определенном уровне потенциала
недоступной точки.
Последовательное использование
таких способов позволяет измерять
параметры двухполюсников, состав­
ляющих многополюсник, без разры­
ва электрической цепи. Заметим,
что для измерения параметров
двухполюсников можно использо­
вать переходные процессы в них
(см. § 12-3).
Задачу разделения взаимосвя­
занных величин в ряде случаев
можно решить, используя введение
искусственных перекрестных связей,
компенсирующих
неселективность
датчиков или учитывающих взаимо­
связь измеряемых величин в среде.
На рис. 17-5,а представлена струк­
турная схема системы, предназна­
ченной для раздельного измерения
двух величин, в которой использу­
ются прямые связи, а на рис. 17-5,6—
обратные связи. На этих рисунках
W — передаточные функции датчи­
ков, М — модели датчиков, Д 4 и
Дг — датчики.
Для случая разделения двух пе­
ременных (рис. 17-5) прямые пере­
крестные С В Я З И Mi2= MiW12/W22 и
M2i = M2W2JWiU а обратные связи
и
М 2{=
= (1/Mi) (W2i/Wn). Результирующие
передаточные функции по каждому*
каналу определяются для схемы
рис. 17-5,а в виде
^12^21
Н, = М ^ г1
^11^22
tf2_ M2W22 (1
u721if22) ’
а для схемы рис. 17-5,6
Hi = MiWu H2=M zW22Из этих выражений видно, что
с помощью введения перекрестных
связей можно осуществить не толь
ко разделение сигналов, но и их
функциональное преобразование.
Если выбрать Mt = l/W a и М2=
= I/W22, то работа второй схемы
сводится к так называемому мето­
ду обратных операторов [Л. 17-14].
Известно применение метода пе­
рекрестных связей для уменьшения
взаимного влияния компонент в че­
тырехкомпонентных аэродинамиче­
ских весах с упругими .элементами
и тензодатчиками. При этом удает­
ся примерно на порядок уменьшить
взаимное влияние компонент.
Методы перекрестных связей и
обратных операторов можно отне­
сти к непосредственным методам
разделения и измерения зависимых
величин а метод структурных моде­
лей — к компенсационным методам.
Видимо, возможно срвместное
использование метода перекрестных
связей, обеспечивающего относи­
тельно простое разделение величин,
и метода структурных моделей, об­
ладающего в принципе лучшими
возможностями по точности измере­
ния. По сути дела, в таких системах
используется комбинированное уп­
равление по разомкнутому и замк­
нутому каналам с применением
принципа инвариантности (компен­
сации) системы к внешним возму­
щениям [Л. 17-15].
Следует особо отметить, что при
разделении
зависимых
величин
в некоторых случаях возможна по­
становка задачи нахождения коэф­
фициентов аналитического описания
з а ви си мости меж ду измеряемы ми
величинами. При этом могут быть
использованы материалы, изложен­
ные в гл. 5.
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
ГЛАВА
ВОСЕМНАДЦАТАЯ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
18-1 ФУНКЦИИ И КЛАССИФИКАЦИЯ
САК
В ч. 1 были рассмотрены общие
теоретические вопросы построения
ИИС. При проектировании систем
автоматического контроля материа­
лы этой части должны быть допол
йены решением вопросов, специфи­
ческих для таких систем
Под контролем в широком смыс­
ле понимается процесс установле­
ния соответствия между состоянием
объекта контроля и заданной нор­
мой. В результате контроля выдает­
ся суждение о данном состоянии
или (и) о будущем состоянии (про
гнозирующий контроль) объекта
контроля [Л. 18-1].
В принципе при контроле нет
необходимости знать численные зна­
чения
контролируемых величин.
С этой точки зрения контроль явля­
ется операцией «сжатия» информа­
ции, устранения ненужных в дан­
ном случае сведений об объекте
контроля.
Областей жизни, где применяет­
ся контроль, — огромное количество.
Контроль может быть осуществлен
везде, где имеются установленные
нормы. Нормы задаются самым раз­
нообразным образом. Так, напри­
мер они могут задаваться в виде
объема конкретных знаний, преду­
смотренных программой подготовки
студентов, в виде области количест­
венных значений, определяющих
нормальное состояние объекта. % "
В дальнейшем изложении оста­
новимся лишь на контроле, при ко­
тором описания норм заданы в ко­
личественном виде (числа, образцы
с заданными значениями величин),
а текущие значения контролируемых
величин (т. е. величин, характери­
зующих состояние объекта контро­
ля) сопоставляются с описаниями
норм в процессе контроля. В такой
форме процесс контроля наиболее
широко применяется в промышлен­
ности на различных стадиях произ­
водства (промышленный контроль),
а также при эксплуатации техниче­
ских устройств (эксплуатационный
контроль).
В промышленном производстве
следует различать контроль сырья,
процесса производства и готовой
продукции [Л. 18-2]. При эксплуата­
ционном контроле определяется
главным образом соответствие нор­
мам состояния сложных машин,
установок, оборудования (радио­
электронное оборудование, танки,
самолеты и пр.).
Операции контроля могут вы­
полняться как с участием человека,
так и без его участия, т. е. автома­
тически.
Степень автоматизации
устройств контроля может быть
определена с помощью отнесения
времени, затрачиваемого на ручные
операции, к общему времени выпол­
нения процедуры контроля: Qa =
= tp.0/ 4. Автоматическими устрой­
ствами контроля называются обыч­
но устройства, у которых этот коэф­
фициент составляет около 2—5%;
у полуавтоматических
устройств
коэффициент равен 5—^50%', у руч­
ных — более 50%.
2С5
Не следует думать, что автома­
тизация контроля выгодна всегда.
Она становится выгодной, как пра­
вило, по мере увеличения количест­
ва операций контроля и сокращения
времени, отводимого на контроль
[Л. 18-3]. При проведении много­
численных однообразных проверок
человек на определенном этапе не
может справиться с большим пото­
ком контрольной информации, уве­
личивается количество ошибок кон­
троля, возникает необходимость
в автоматизации операций контроля.
Контроль — совершенно необходи­
мая операция при проведении лю­
бого замкнутого процесса управле­
ния, а автоматический контроль —
при автоматическом управлении.
Промышленный автоматический
контроль выполняется с помощью
контрольно-измерительных
прибо­
ров и систем автоматического кон­
троля. Под си с т е м а ми а в т о м а ­
т и ч е с к о г о к о н т р о л я (САК)
будем понимать устройства, в кото­
рых либо контролируется большое
количество величин, либо требуется
значительная обработка информа­
ции, необходимая для выдачи сужде­
ния о состоянии объектов контроля.
Подавляющее большинство САК
базируется на использовании эле­
ментов современной электроники.
Это во многом определяется нали­
чием относительно хорошо разрабо­
танных методов и средств преобра­
зования разнообразных контроли­
руемых величин в электрические
сигналы и удобствами выполнения
преобразований, передачи и обра­
ботки электрических сигналов. По­
этому большинство примеров реа­
лизаций САК, приводимых в даль­
нейшем, основывается на электри­
ческих принципах действия.
Для того чтобы выдать в резуль­
тате контроля информацию о соот­
ношении между текущим состоя­
нием объекта контроля и установ­
ленным нормальным его состоянием»
любая САК должна выполнять
следующие
основные
функцшг
(рис. 18-1):
восприятие контролируемых ве­
личин;
реализацию
описаний
норм
в виде:
а) дискретных значений непре­
рывных величин (рис. 18-1,а);
б) численных значений уставок
(рис. 18-1,6, 0);
сопоставление значений контро­
лируемых величин и описаний норм;
формирование суждений о со­
стоянии объекта контроля ФС\
выдачу результатов контроля
оператору, в ВМ или САУ;
измерение с выдачей результатов
в цифровом виде в случае, если
Рис. 18-1. САК с аналоговым и цифровым описанием норм.
а — аналоговое описание
норм
и сравнение; б — цифровое описание норм
вое описание норм и аналоговое сравнение.
и сравнение;
в — цифро­
описания норм заданы в цифровом
виде (рис. 18-1,6);
автоматическое управление ра­
ботой системы.
САК весьма часто выполняют
ряд дополнительных функций, к ко­
торым можно отнести:
измерения с выдачей результа­
тов в цифровом или аналоговом
виде;
промежуточные преобразования
-сигналов;
выполнение операций счета;
формирование
испытательных
(тестовых) сигналов;
математическую обработку ре­
зультатов контроля (в том числе
прогнозирование);
самопроверку САК.
Остановимся коротко на приня
той в дальнейшем классификации
САК- Мы вынуждены прибегать
к этому, так как общепринятой
классификации таких систем нет.
В основу классификации САК есте
ственно положить общую классифи­
кацию III 1C (гл. I), детализируя ее
в необходимой мере с учетом спе­
цифики функций, выполняемых САККонтролируемые величины мож­
но классифицировать так же, как и
измеряемые величины
Выходные характеристики САК—
суждения о состоянии объекта кон­
троля— могут быть подразделены
на суждения о текущем состоянии
объекта и на суждения о будущем
его состоянии.
Представляется, что используе­
мое иногда разделенпе-САК на пас­
сивные и активные (т. е. воздейст­
вующие на свойства объекта кон­
троля) системы утеряло сейчас во
многом смысл в связи со значитель­
ным развитием систем управления
производственными процессами. По­
этому в дальнейшем мы будем рас­
сматривать только пассивные САК.
Сортирующие автоматы также мо­
гут быть отнесены к пассивным
САК, так как в них отсутствует
воздействие на объект контроля, из­
меняющее его свойства.
Следует различать САК, в с т р о ­
ен н ы е в объект контр'оля и в н е ш ­
н ие по отношению к нему. Встроен­
ные системы преимущественно при­
меняются в сложном радиоэлек­
тронном оборудовании и входят
в комплект такого оборудования.
Такие системы специфичны — для
их построения часто используются
функциональные блоки контроли­
руемого оборудования
Внешние
по отношению к объекту контро­
ля системы обычно более универ­
сальны.
К внутренним классификацион­
ным признакам САК в первую оче­
редь следует отнести:
форму описания нормы (цифро­
вое описание или аналоговое пред­
ставление значений'контролируемых
величин, соответствующее “установ­
ленным градациям состояний объек­
та контроля);
структуру системы (предельные
структуры — последовательного и
параллельного действия).
Целесообразно остановиться на
одном важном для классификации
рассматриваемых систем вопросе
несколько подробнее. Дело в том
что в подавляющем большинстве
САК выполняется процесс измере­
ния и на выходе систем помимо
результатов контроля при необхо­
димости отражаются результаты
измерения. Это позволяет более по­
дробно изучить состояние объекта.
Кроме того, если описание норм
в системе задано в виде числового
значения контролируемых величин
(рис. 18-1,6), то наиболее часто
производится измерение текущего
значения этих величин и сопостав­
ление результатов измерения и опи­
сания норм в цифровом виде.
В этом случае результаты измере­
ния могут быть использованы для
более рационального выполнения
операций контроля (в частности,
для определения частоты их про­
ведения). Следовательно, САК в
большинстве
своём
являются
контрольно-измерительными
си­
стемами.
Рассмотрим основные пробле­
мы, возникающие при проектирова­
нии САК.
Состояние
объекта контроля
(сырье, готовая продукция, режимы
технологического процесса и т. п.)
в общем виде (см. § 2-1) зависит
от значений контролируемых вели
чин х, неконтролируемых величин
характеризующих объект, и внеш
них возмущений o = (o i, о2, .
о{).
В х входят контролируемые вели­
чины, характеризующие объект и
внешние возмущения Xi, . . . , Xh,
а также контролируемые управляю­
щие воздействия х[1), .
Кон­
тролируемые величины должны быть
выбраны таким образом, чтобы их
значения с достаточной для прак-.
тики степенью достоверности харак­
теризовали состояние объекта кон­
троля. В некоторых случаях в ка­
честве контролируемой величины,
характеризующей состояние объек­
та контроля, выбирается обобщен­
ная величина типа к. п д., показа­
теля экономической эффективности
технологического процесса Тогда
перед сравнением с установленным
значением этой обобщенной величи
мы текущие значения контролируе­
мых величин нужно предварительно
обрабатывать.
Определение х является одной
из важнейших задач, решаемых на
этапе предварительного проектиро­
вания САК.
Следующая задача, которую не­
обходимо решать при проектирова­
нии САК, связана с установлением
значений контролируемых величин,
ограничивающих область нормаль­
ного состояния объекта контроля.
Эти значения могут быть установ­
лены заранее либо вырабатываются
или уточняются в процессе контро­
ля, т. е. должно быть определено
описание нормы через хн.
В тех случаях, когда область
нормальных значений ограничивает­
ся гиперповерхностями /Д х)= 0, ’
/ = 1, . . . , т , введение новых контро­
лируемых величин /j позволяет све208
сти задачу контроля к сравнению
контролируемых величин с устав­
ками хн.
В простейших, но весьма рас­
пространенных случаях состояние
объекта контроля может характери­
зоваться одной контролируемой ве­
личиной, и нужно определить, к ка­
кой из двух возможных областей
относится ее значение. Тогда ре­
зультат контроля выражается утвер­
ждением: данный объект контроля
«находится в норме» или «находит­
ся не в норме», «годен» или «брак».
В то же время, например, при кон­
троле хода доменного пройзводства
контролируемыми величинами явля­
ются температура, давление, состав
шихты, газов и др., так как состоя­
ние плавки — довольно сложная
функция множества контролирую
мых величин, а различаемых обла
стей может быть несколько (вплоть
до аварийного состояния).
Задачи определения х и установ­
ления области хн теснейшим обра­
зом связаны с анализом свойств
объекта контроля, учетом особенно­
стей его работы и решаются обычносовместными усилиями специали­
стов в области данного объекта кон­
троля и специалистов по проекти­
рованию САК.
Дальнейшие задачи связаны
с собственно проектированием САК.
К важнейшим из них относятся:
получение текущих значений кон­
тролируемых параметров х, опреде­
ляющих данное состояние объекта
контроля;
сопоставление х и хн;
получение и выдача результата
контроля — суждения о том, каково
положение вектора х относительнограницы хн, и, если это необходимо,
суждения о поведении х.
Из большого количества направ­
лений, обеспечивающих решение
этих задач, в данной главе ограни­
чимся изложением подхода к вы­
бору контролируемых величин к
оценке погрешности операций контро­
ля, особенностей определения ча­
стоты квантования контролируемых:
величин во времени, а также рас­
смотрим основные варианты пред­
ставления результатов контроля и
способы
оценки
эффективности
САК. Выбранные для рассмотрения
вопросы, по нашему мнению, явля­
ются наиболее важными для проек­
тирования САК.
18-2. ВЫБОР КОНТРОЛИРУЕМЫХ
ВЕЛИЧИН И ОБЛАСТЕЙ
ИХ НОРМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ
'Во многих практических прило­
жениях (например, при контроле
готовой продукции) контролируе­
мые величины и области их нор­
мальных значений задаются зара­
нее в соответствии с техническими
или технологическими требования­
ми, предъявляемыми к объекту кон­
троля. Тогда, естественно, набор
величин, подлежащих контролю,
предопределен.
При контроле функционирова­
ния и работоспособности сложных
динамических объектов в виде, на­
пример, совокупности управляемого
объекта и устройства автоматиче­
ского управления выбор контроли­
руемых величин и их нормальных
значений может быть выполнен
в результате анализа дифферен­
циальных уравнений, описывающих
поведение системы, импульсн ых,
переходных, передаточных функций
системы или амплитудных, фазовых
и частотных ее характеристик
[Л. 18-1 —18-7]. При таком анализе,
естественно, учитываются назначе­
ние системы и критерии оценки ее
поведения. Так, для автоматически
управляемых объектов зоны нор
мальных значений величин опреде­
ляются зачастую из требований
поддержания устойчивости задан­
ного режима [Л. 18-6].
Если контролировать все пере­
менные величины объекта, то, ви­
димо, можно определить работоспо­
собность системы. Однако автома­
тическому контролю по разным
причинам обычно подвергается лишь
часть переменных величин, и о ра­
ботоспособности объекта можно су14—741
дить лишь с некоторой вероят­
ностью.
Для выбора переменных вели­
чин, подлежащих контролю, упоря­
дочиваются величины по степени их
влияния на работоспособность объ­
екта. Положим, объект характери­
зуется величинами xi, . . . , Xk, опре­
деляющими его работоспособность.
Обозначим события, заключающие­
ся в работоспособности объекта по
величине Хи через А {. Тогда вероят­
ность работоспособности всего объ­
екта
Р = Р ( А , .,
Аи)(=
рЛ
k
..,/?(Ak|Ai, ..,Ak_l) = JJ p {i[i_ {) .
i=)
В ЭТОМ выражении Р(г f г—l)—
условная вероятность безотказной
работы объекта по величине хи вы­
численная при условии, что объект
работоспособен по всем величинам
ЮТ Xi ДО Xi-1.
С целью минимизации количест­
ва контролируемых величин разум­
но для контроля первыми выбирать
величины с наименьшей вероят­
ностью безотказной работы объекта.
Общее количество контролируе­
мых величин можно определить,
если задана допустимая вероят­
ность работоспособности /?доп, из
следующего соотношения [Л. 18-5]:
k\
zk
Aon<П
i=i
P
W
- \ )
П (/!/—
1)
Р и ,
i=ki+i
В этом выражений /?н,0‘Ь~1)(т) —
условная вероятность безотказной
работы по /-й неконтролируемой ве­
личине к моменту времени т;
P(i) г~~1)(т)— то же, но для т-й кон­
тролируемой величины.
Для более детального знакомст­
ва с этим вопросом мы отсылаем
читателей к литературе [Л. 18-6—
18-8, 18-22].
18-3. КОНТРОЛЬ СЛУЧАЙНЫХ
ВЕЛИЧИН
При планировании контрольного
эксперимента
и проектировании
контрольно-измерительных систем
широко используются методы тео­
рии вероятностей и математической
статистики [Л. 18-9, 18-10]. Круг
вопросов, решаемых при этом, до­
вольно велик. Остановимся в этом
разделе на некоторых общих вопро­
сах статистического анализа про­
цессов контроля, имеющих важное
значение преимущественно для кон­
троля технологических процессов.
Определение количества годных
объектов контроля при заданных
распределениях вероятностей кон­
тролируемых параметров и грани­
цах допуска продукции в случае,
если погрешности устройств контро­
ля не учитываютря, особых затруд­
нений не представляет.
Положим, задана плотность рас­
пределения вероятностей значений
контролируемой
величины f ( x) ,
нижняя с и верхняя d границ^ нор­
мы (рис. 18-2). Тогда количество
изделий готовой продукции в долях
от общего количества
d
W T= ^ f ( x ) d x .
Доля негодных изделий
d
00
t (z) =
с
№в= J / ( х ) d x ■ W a=
ческим ошибкам, характеризующим
качество контроля.
Эти ошибки контроля определя­
ются вероятностью их появления
либо функцией от нее.
Различаются при этом о ши б к и
п е р в о г о род а, которые носят
также название р и с к а п о с т а в ­
щика , или л о ж н о й т ре в о г и,
и определяют веррятность отнесе­
ния годных объектов контроля к не­
годным, и о ши б к и в т о р о г о
р о д а , или р и с к п о т р е б и т е ­
ля, п р о п у с к п е р е х о д а , при
наличии которых негодные изделия
классифицируются как годные.
Если контролируемая величина
X и погрешность устройства кон­
троля У в вероятностном смысле
независимы, то результат контроля
будет определяться суммарной ве­
личиной Z = X + Y , плотность рас­
пределения которой определяется
как композиция плотностей распре­
деления f ( x) и <р(у) :
J f (л)dx.
—oo
Если случайная величина X рас­
пределена по нормальному закону,
то для подсчета WT) W B, Wu исполь­
зуются табулированные значения
интеграла вероятностей (функции
Лапласа).
Наличие погрешностей устройст­
ва контроля приводит к специфи-
Рис. 18-2. К определению доли
годных и негодных изделий.
j / (х) f (г — x).dx.
—00
Математическое ожидание и
дисперсия случайной величины Z
равны:
M[Z\ = M[ X ) + M[Y)-
Напомним, что если плотности
распределения величин X и У нор­
мальны, то и плотность распределе­
ния величины Z будет также нор­
мальной, а если плотности распре­
деления величин X и У равномер­
ны, то ф(г) будет иметь трапецие­
видную форму.
Если определить количество год­
ных и негодных изделий по плотно­
сти распределения ф(г) и при преж­
них границах с, d, то доля изделий,
классифицируемых как годные, бу­
дет равна:
W, = W T= j (J>(Z) dz,
Вычисление вероятностей поэтим формулам наталкивается па
W2= Wls + Wa = C
jnz)dz +
определенные трудности. Для прак­
тических целей представляет инте­
d
рес использование приближенных
оценок этих вероятностей.
+ j Ф ( Z ) dz.
—СО
Для вычисления этих выраже­
ний
приходится прибегать к чис­
Однако некоторая часть изделий
ленным методам интегрирования.
будет классифицирована .непра­
Кривые f(x) и ф(у) разбиваются
вильно.
в
пределах умакс около границ до­
При выполнении процессов кон­
пусков на несколько частей, под­
троля обычно справедливо условие
считываются вероятности нахожде­
d—с^у.
ния в каждой из них контролируе­
мых изделий (ри ръ . • , р п) и
С учетом этого условия можно
вероятности получения результатов,
найти [Л. 18-11]:
qn) . Тогда ве­
а)
долю годных изделий из чис­ контроля (qu q2i
роятность,
определяющая
риск по*
ла определенных годными:
ставщика, будет при симметричных
d
Г d —x
кривых плотностей распределения
W. , =
j <Р(у) dx dx:
f(x) и ф(у) выражаться суммой
частных произведений вероятно­
б)
вероятность ошибки первого стей p i , входящих в зону допуска,
и вероятностей выхода результатов
рода (риск поставщика):
измерений i-x значений контроли­
руемых
величин за зону допуска.
WA= j f ( x )
Так, например, если i = 5, то можно
получить следующие составляющие00
вероятностей
браковки годных из
+ f ? (у) dy dx;
делий:
d—x
а классифицируемых как негодные,
в)
вероятность ошибки второго
рода (риск потребителя):
с
г, =
Г ~d—x
d-
—оо
+
)dy
( 9 (У
p w
dx -|-
L с—:
P i) +
q3 (pi + Pi + рз) + ^ 4 ( p i + Pi +
+ Pi + Pb) +
+1f(x) s (y) dy dx;
оо
^ 4 = 2 [q iP i-'r q2 (P i +
{Pi + P 2 + Рз + Pk + Рь) ]•
Гd—x
?
Используя такой же способ*
можно получить численные значе­
г)
бракованные как по результа­ ния W5, W6 и We.
там контооля, так и фактическиВ [Л. 18-12] приводятся графики*
существенно упрощающие вычисле­
ние вероятностей, входящих в
Wt — f ( x)
J
<?(y)dy +
W3—Ц7б> дЛЯ плотностей вероятно­
v _^oo
L -o o
стей f(x) и ф(у), подчиненных нор­
мальному закону. В [Л. 18-13] рас­
+ [ <P
{y)dy
сматриваются
асимптотические при­
d—x
ближения оценки, также позволяю­
щие существенно упростить вычис­
ления W3—We. Остановимся кратко
d
—00
на этих оценках. Апостериорная
плотность вероятности величины X
- f
j
f (y) dy I dx.
при условии, что получен результат
d—x
d
Lc-x
J
+_f/(•*)LГ J
J
контроля
г <с—/итп
L *
J
( с — М\Х] \ *
- ф(^ °* )
c<z = x+
/ ( ^ |c < z < d ) =
+ ехр
/(*) J <р(г — х)
С
ОО
J /W
—ОО
’d
j Ч(г—
dхzdx
_С
Вероятноегь ошибки первого рода (риск поегавщика) может быть
приближенно определена по формуле
W, *~[ F( d)- F( c)]W b*.
В знаменателе находится норми­
рующий множитель, равный вероят­
Выражение для W$* существен
ности получения результата кон­
но
упрощается, если границы ин
троля c<z<d. Вероятность непра­
тервала {с, d\ симметричны относи
вильного отнесения изделия к ин­
тельно М[Х1, т. е. d—М[Х\ = М[Х\—
тервалу [с,
,\dт. е. риск потреби­
—c = kox:
теля, будет определяться интегриро­
Н7* ~ qy • е х Р f ^2/^1
ванием f ( x \ c < z < d ) в интервалах
' 5 ~ 2™,
Ф (k) ‘
[—оо, с] и [d, оо]Полученные выражения пригод­
ны для решения обратной задачи,
т. е. по заданному значению вероят­
ности ошибки, например W$3, воз­
можно определение ограничений на
погрешность средств контроля:
X
Ф(*)
су == 2 ю жЯГвз
ехр [—£2/2] *
Рассмотренный способ вычисле­
ния В73—W*> пригоден для использо­
вания при инженерных расчетах
с погрешностью примерно 5—10%.
Выше рассматривался случай,
когда не накладывались ограниче­
ния на количество объектов контрЬля. На практике для контроля
из партии изделий выбирается неко­
торая часть (выборка). Последова­
тельность реализованных значений
Хи . . . , хп будет состоять из част­
В этом выражении F — интеграль­
ных реализаций случайной величи­
ный закон распределения X , а
ОО
ны X. Предположим, что закон рас­
М [|У |]= р
уI
¥
(у) dy
— первый вероятностей
аб­
пределения
этой вели­
чины нормален и имеет параметры
солютный момент погрешности.
М[Х] = а и о х.
Для нормального распределения
Оценки математического' ожидап
величин X и У, имеющих характе­
и диристики ах, М Щ ,
ОЛ
1{У] ния
= 0, выборки М* [Л-] = £
1
=
1
M[\Y\) = ^2зу/1^2^:
П
сперсии (з*х)г = 2 (xt сами
+
ехр
2о!
i
=
I
L
U7*
являются случайными величинами,
’ 2яоd_— М \ Х \
изменяющимися от выборки к вы­
ф (.
а»
)борке.
При пренебрежении вероятно­
стью реализации погрешностей, пре­
вышающих длину интервала [<с, d\>
т. е. при p [ \ Y \ > d - r c ] ^ 0 и симмет­
ричной относительно нуля плотности
вероятности величины У (т. е. при
ф (0)= ф (—у))1 f (с) + Iid)
г*
2 F ( d ) - F ( c ) МЦУЦ.
Рассмотрим контроль математи­
ческого ожидания выборки
М[М* [Х]] = а;
D[M*[X)\ = D
= —2 d
n2
i= 1
s
AT,-
■i = 1
При равенстве дисперсий мате­
матических ожиданий
£>[М*[АГ]] = D [ X ] .
О [М * [Х ]] :
УГ
Зададимся вероятностью рДОп,
с которой значения М*[Х]—а долж
ны лежать в пределах (—А3, /г3) :
р {— А <СЛ4 *[А ]— я <СА} — Рдоп,
или после нормировки
М* [X] —g
К7Г
1 /г ) _
J ах/К /г /
: = БдопПо таблице функций Лапласа
найдем значение A/(sx/]/ft) =АД011(на­
пример, при рдоп= 0,95; АдОП=1,96).
Задаваясь допуском А3 на значение
|М*|Х1—а| при известном ах, нахо­
дим необходимый объем выборки:
/гЗг/г2доп о2л //г2.
1з
Например, /?Доп = 0,95; a.x/A3= 5;
/г ^96.
Возможен несколько иной под­
ход к определению необходимого
объема выборки при использовании
метода последовательного анализа
[Л. 18-14, 18-15]. При последова­
тельном анализе объем выборки за­
ранее не определяется, а выполня­
ется анализ поступающих нарастаю­
щим образом данных о значениях
контролируемых величин (по сути
дела производится измерение зна­
чений этих величин). После провер­
ки принятой статистической гипоте­
зы принимается решение о прекра­
щении или продолжении контроль­
ного эксперимента.
Приведем заимствованный из
[Л. 18-14] пример выполнения после­
довательного анализа при исполь­
зовании простой статистической ги­
потезы, заключающейся в том, что
распределение вероятностей контро­
лируемой величины нормально и
результаты контроля определяются
по одной характеристике М[Х\
или D [X].
Положим, изготовлена партия
новой аппаратуры и необходимо ре­
шить вопрос о запуске аппаратуры’
в серию. В качестве контролируе­
мой величины, определяющей год­
ность аппаратуры, примем случай­
ную величину Б.
Зададимся зоной допустимых
значений Б, В0 и В\. Пусть, исходя
из технических требований, В0= 25,
a 5i = 30, среднеквадратичное от­
клонение от математического ожи­
дания ав = 9. Зададимся риском по­
ставщика (т. е. вероятностью браков­
ки при В<^В0) а=0,01 и риском
потребителя (вероятностью принятия
партии* при B ^ B i ) (3= 0,03.
Приемочные числа аш могут
быть подсчитаны по формуле
1 В0+ Вг
In-m,
й т ~~
B t — B0*“ 1 — а"
а браковочные числа гт — по фор­
муле
42
.1 — В ,
В 1 —в, •In-
Б0 + В,
m.
Здесь т= 1,
N — количество
последовательно
контролируемой
аппаратуры.
В нашем случае (рис. 18-3) ат =
= —55,6 + 27,5 т; гт = 74 + 27,5т.
Пусть контролируемая величина
имеет значения, приведенные в
табл. 18-1. Пересечение суммы pe­
rn
зультатов измерения 2 Б,- с ат гоi= l
ворит о возможности прекращения
экспериментов. (Следует заметить,
что рассматриваемая партия может
быть принята, даже если принять
здесь d\ и а0 — наибольшая и наи­
меньшая дисперсии контролируемого
параметра.
Эти числа в данном случае срав­
ниваются со значениями
Рис. 18-3. К примеру использования
последовательного анализа.
/ — партия принимается; / / — эксперимент
продолжается; / / / — партия бракуется
Во= 20, a Bi = 25.) Таким образом,
для принятия решения о годности
продукции при применении после­
довательного анализа потребова
лось шесть опытов. Если же объем
выборки при тех же условиях опре­
деляется заранее:
Рдоп= 1— cg= 0,99; //доп= 3,1;
ств = 9; //з = 2,5,
то п > li o2 lh2 ^ 105, т е. необхоД0П 3 3 1Л
С операции конт­
димо провести
Юо
роля.
Таблица
т
ат
т
В
SB
Г
18-1
1
2
3
4
5
в
28,1
101,5
20,5
20,5
0
129
13,3
33,9
26,9
156,5
30,0
63,9
49,4
179
11,4
75,3
81,4
211
7,3
82,6
109,4
239
20
102,6
Последовательный анализ может
быть также произведен, если нужно
определить среднеквадратичное от­
клонение нормально распределен­
ной величины от известного мате­
матического ожидания. Приемочные
и браковочные числа в этом случае
подсчитываются последующим фор­
мулам
т
_
т
2 ( В г - В У = 2 АВгt= 1
ir=l
Заметим, что последовательный
анализ может выполняться и тогда,
когда математическое ожидание за­
ранее неизвестно и определяется
т
как В* = 2 ^*У/гНа практике метод последова­
тельного анализа дает обычно от­
носительно
большую
экономию
в среднем числе испытываемых из­
делий по сравнению с фиксирован
ным объемом выборки. Однако при
его использовании заранее невоз­
можно установить срок окончания
контроля
Имеется возможность выполне­
ния смешанного метода контроля —
заранее определяется необходимый
объем выборки (п объектов контро­
ля) затем контроль выполняется
по методу последовательного ана­
лиза. Если для получения ответа
о годности партии объектов контро­
ля по методу последовательного
анализа запланированный объем
«выборки недостаточен, то произво­
дится оценка результатов контроля
по методу фиксированного объема
выборки.
18-4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ
Основная цель статистического
контроля связана с получением ста­
тистических данных, необходимых
для анализа хода технологического
процесса или годности готовой про­
дукции и для принятия соответ­
ствующих решений.
Wri<WT0\ WBi> W Bo\ WHi> W uo.
наладки гпо предельному значению
подряд встречающихся бракованных
изделий в ряду ГБГГГББГГГГБББГ
[Л. 18-10].
Уменьшения ошибок первого и
второго рода можно добиться путем
многократного повторения операций
контроля [Л. 18-23]. Однако эффек­
тивность многократного повторного
контроля относительно невелика.
Так, например, если объем действи­
тельного брака в партии изделий,
контролируемый параметр которых
распределен по нормальному зако­
ну, составляет 2%, то при нормаль­
ном распределении погрешности из­
мерений и отношении предельно до­
пустимой погрешности к ширине
допуска, равном 0,2, ошибки пер­
вого рода будут достигать после
первой операции контроля 17,5%,
после второй операции контроля
над отбракованными изделиями —
12%, после третьей — 9,5% и после
четвертой — 8%.
Значительно более эффективным
оказывается двукратный контроль,
при котором при первой операции
используются менее точные, но бо­
лее производительные средства,
а при второй — более точные сред­
ства контроля. (Для уменьшёния
ошибок второго рода при таком спо­
собе выполнения операций контроля
может быть уменьшена зона до­
пусков на значение предельно до­
пустимой погрешности измерения.)
Если партия изделий содержит 3%
действительного брака и проконтро­
лирована с погрешностью 0,5 шири­
ны допуска, то ошибка первого ро­
да будет достигать 28%. После
Решения о перенастройке техно­
логического процесса по данным
статистического контроля принима­
ются на основании экономических
соображений.
Статистический контроль можно
организовать и в том случае, когда
известен результат контроля в виде
градации «годен» (Г) и «брак» (Б).
Наиболее простым в этом случае
является определение момента пере­
дисперсии на результат контроля
брака.
Рис. 18-4. К влиянию изменения
математического ожидания на ре­
зультат контроля брака.
В случае, если заданы допуски
годности продукции и доли годных
и негодных изделий \Vr0, WB0, Wu0,
то текущий статистический кон
троль позволяет следить за ходом
технологического процесса При из­
менении положения центра настрой­
ки
технологического
процесса
(рис. 18-4) происходит изменение
вероятностей получения годных и
негодных изделий. Для унимодаль­
ных и симметричных относительно
начального центра настройки зако­
нов распределения f(x) в случае,
показанном на рис. 18-6, справедли­
вы следующие неравенства:
WnKWro- №в1>№во; Wm<WEQ.
Увеличение рассеяния готовой
продукции приводит к деформации
распределения f(x) (рис. 18-5), и
при ограничениях, отмеченных вы­
ше, соотношения между начальны­
ми и текущими значениями вероят­
ностей принимают вид:
второй операции контроля объем
ложного брака составит 19%. Если
же вторая операция контроля будет
проведена с погрешностью 0,1 ши­
рины допуска, то объем ложного
брака составит 2%.
Типичными ' примерами специа­
лизированных устройств статистиче­
ского контроля являются устройст­
ва для автоматического построения
гистограмм при статистическом кон­
троле радиодеталей, в котором дан­
ные накапливаются и фиксируются
на перфоленту, а также для опре­
деления оценок математического
ожидания и дисперсии деталей на
шлифовальных станках [Л. 18-1].
Интересными в плане создания спе­
циализированных устройств стати­
стического контроля представляют­
ся работы [Л. 18-16], связанные
с созданием устройств представле­
ния массовой информации, позво­
ляющих получать непосредственно
плотность распределения контроли­
руемых величин.
Статистическая обработка ре­
зультатов контроля весьма часто
выполняется с помощью выпускае­
мых промышленностью статистиче­
ских анализаторов, а также вычис­
лительных устройств, имеющихся
в системах автоматического кон­
троля (см. например, гл. 14—16
и 22).
18-5. СПОСОБЫ ОПИСАНИЯ НОРМ
% И ВЫДАЧИ ЦИФРОВОЙ
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ
ИНФОРМАЦИИ
В контрольно-измерительных си­
стемах описания норм и контроль­
но-измерительная информация мо­
гут быть представлены по абсолют­
ным значениям (рис. 18-6,а) либо
по отклонению от номинального
значения (рис. 18-6,6).
Сравним эти способы в случае,
если значения контролируемых ве­
личин равновероятны и абсолютная
максимальная погрешность измере­
ния равна е (Л. 18-8].
Будем считать также, что грани­
цы зоны допуска симметричны от216
хмъкс
11-д?jA
\зс,А
ЛЛ,\
----------- )\
'
т
йАн\ A rf
\
>
5
X
А0
f
t
,
t
в)
Рис. 18-6. Способы цифрового описания
норм и контрольно-измерительной инфор­
мации.
а — описание норм и результатов измерения че­
рез абсолютные значения; б — описание норм и
результатов измерения относительно номинально­
го значения контролируемой величины.
носительно Ло, т. е. ДЛв=АЛн= АЛо,
и необходимо определить, находит­
ся ли контролируемая величина
в зоне допуска или вне ее.
При использовании способа аб­
солютных
значений
количество
двоичных ячеек памяти, необходи­
мое для организации операций кон­
троля, равно:
ЛнЛвхмакс
log*
е*
Реализация способа отклонений
возможна при наличии количества
ячеек памяти, равного:
log2 ЛАЛА*м,_,,с_:
Разница между количеством
ячеек памяти, требуемых для этих
двух способов, будет равна:
log.2 ДАЛА**
Очень часто ЛВ> Л 0; Ямакс^
]>ЛХмакс И Лн>(ДЛо.
Тогда
ЛнЛвхмак0
А оДA qДX макс > 1.
Таким образом, при использова­
нии способа «отклонений» выигрыш
в количестве элементов памяти при
формировании описаний норм и
выдаче результатов измерения и
контроля может быть весьма суще­
ственным. Еще более значительным
этот выигрыш может быть, если
датчики будут давать на выходе
сигнал, пропорциональный
= Л 0—X.
В САК применение находят оба
способа описания норм и выдачи
контрольно-измерительной инфор­
мации.
38-6. КВАНТОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОЙ
КОНТРОЛИРУЕМОЙ ВЕЛИЧИНЫ
ВО ВРЕМЕНИ
Необходимость квантования не­
прерывных контролируемых вели­
чин во времени возникает при про­
ведении операций контроля данной
величины через некоторые интерва­
лы времени, обусловленные, напри­
мер, загрузкой устройства контро­
ля вне этих интервалов определе­
нием состояния других величин.
При небольшом количестве гра­
даций состояния контролируемой
величины восстановить её по ре­
зультатам контроля не удается.
Поэтому использовать непосредст­
венно аппарат квантования по вре­
мени измеряемы^ величин (см.
гл. 5) для расчета периода кванто­
вания контролируемых величин за­
труднительно.
Рассмотрим в качестве предель
ного случай непрерывного контроля
(рис. 18-7), характеризующийся тем,
что устройство контроля фиксирует
все выходы контролируемой вели­
чины x(t) за установленную зону
нормального состояния [с, d\, при­
чем d—с = 1. Примем следующие до­
пущения:
контролируемая величина явля­
ется стационарной случайной функ­
цией времени с нормальной плот­
ностью распределения вероятностей
\
в течение времени Г, равно [Л 18-1]:
(
Г
(dт 1 х \ ехр
2а 2
ср ~2тс~
X
Г(с-Л1ГЛЧ)*1 \
+ exp
L 2°*
г
О
В этой формуле cf — дисперсия
контролируемой величины, а о2 —
дисперсия его первой производной.
Суммарное время нахождения
контролируемой величины в интер­
вале [с, d] равно S o j= /? 7 где
/
априорная вероятность нахождения
контролируемой величины в интер­
вале [с, d\.
Среднее время между перехода­
ми контролируемой величиной уста­
вок в этом случае составит:
/
Если учесть, что
°i/^cp( d - M [X ])*
К
и, кроме того, обозначить 2а. /]/2т:
через Е[ | х\ ], то
*
°«.ср
__
/
: •
Ь[\х\]
•
При контроле значений величи­
ны через некоторые интервалы вре­
мени достоверность контроля по ме-
-(х-М[Х])>/ 2о2
среднеквадратичное отклонениеконтролируемой величины превы­
шает интервал [с, d]\
время, затрачиваемое на кон­
троль пренебрежимо мало.
Среднее число операций контро­
ля, фиксирующих выход контроли­
руемой величины за интервал [с, d]
+
Рис. 18-7. Случай непрерывно­
го контроля.
Рис. 18-8. Случай контроля, выпол
няемого дискретно по времени.
ре увеличения этих интервалов,
естественно, снижается. Установим
соответствие между частотой кон­
троля и заданным значением крите­
рия характеризующего достовер
ность контроля.
Положим, что в момент tn вы
полнена операция контроля и уста
новлено, находится, ли значение
контролируемой величины в интер­
вале [с, d] Если контролируемая
величина в момент tn находилась
в интервале [с, d\, то считаем что
до следующей операции контроля
контролируемая величина с опреде­
ленной вероятностью останется там
же. Тогда в качестве критерия до­
стоверности результатов контроля
может служить вероятность р(Х^1)
того, что при t > t n значение контро­
лируемой величины не выйдет за
интервал [с, d].
На малом отрезке времени б
значение контролируемой величины
может быть представлено в виде
я(^п + 6) ~ x ( t n) + i( ^ n)6,
где x(tn + б); x(tn) и x ( tn) — соот­
ветственно значения контролируе­
мой величины в моменты £п + б, tn и
значение производной контролиру­
емой величины в момент tn выпол­
нения предыдущей операции.
Положим, что c ^ x ( t n) ^ d . Для
того чтобы контролируемая величи­
на через время б вышла за пределы
интервала {с, d] через границу d,
должно быть выполнено условие
218
x (t n) + x ( t n)8P>d, а через грани­
цу с — условие x(tn) + x ( t n) 5 ^ с
(рис. 18-8). Заштрихованный уча­
сток определяет значения x (t n) и
x ( t n), при которых контролируемая
величина за отрезок времени не
выйдет из интервала [с, d\
Значения х(£п) и x ( tn) неизвест­
ны и имеют случайный характер
Поэтому можно оценить лишь ве­
роятностные характеристики воз­
можности выхода контролируемой
величины за время tn до /п + б из
интервала [с, d]. Вероятность р(с<
<X<^d) =р зависит от ширины ин
тервала I, динамических свойств
контролируемой величины и значе­
ния x(tn). Она может быть опреде­
лена интегрированием условной
плотности f(x, x/c<X<^:d) по обла­
стям I и II (рис. 18-8). Пусть рас­
пределение х также нормально.
Производная нормальной случайной
функции для данного Момента вре­
мени не зависит от значения этой
функции, и тогда
f (х, х/с<Х<^ d) = /i ( x /c < X ^ \d ) f 2 (х) у
где
f i { x \ c <jX < d ) = 1^ - =
J f (*) dx
= — т=— exp
P V 2па*
I.
U*)-
V2па.х
- $ }
Вероятность (1— р) может быть
найдена как
^ d
(d-c)jb
(!— Р)= J
0
+
f2(x)dx j /,(*1
f fa
xd)( f (л: Ic,
(d-c)lb
c
c—xb
0
+
f
f»(x)dx
(c -d ) /S
(c-d)lb
+
j
'
h
f
c
e d
(x xjd)
fi(x\
уменьшается Так, например, при
время бдоп для дискрет­
ного контроля меньше 6Н для не­
прерывного контроля в 370 раз.
Значительное увеличение сред­
него времени между операциями
контроля (уменьшение количества
операций контроля) можно полу­
чить, если сделать интервалы вре­
мени между операциями контроля
различными, зависящими от значе­
ния контролируемой величины, по­
лученного путем измерения. Ис­
пользуем выражения
■*(t«)
c — x{tn)
x ( t n):
И X (tn) :
Ро* = 0,997
Рис. 18-9. К определению ве­
роятности р0(б).
При малых б (рис. 18-9) вероят­
ность р будет равна:
" dp-л
_
J 5= 0 *
полученные для дискретного контро­
ля, и подсчитаем вероятность их
выполнения:
(d -x )H
отсюда
Г
J
0
1
ехр Г,
L*
-с
V 27ia.
* 4 dx -j—
х J
2»?
(х -с )/Ь
Дифференцируя выражение (1—р)
по б и подставляя его в выражение
для б, можно получить допустимое"
значение интервала контроля как
*
р
г
2 ^ ( 6ХР
( \ - р \ )
(d-M fjf])* I
К
с — М
2 вX
2
[Х\
1
)
)
где р щ ро* — априорная и заданная
вероятности нахождения контроли­
руемой величины в интервале [с, d\.
При К о * интервал квантования
5 д о п ~ ( 1 — Р о * ) Ц Е { \ х \ \ Формула для
определения интервала квантования
является приближенной, и ее точ­
ность повышается с уменьшением
Ширины интервала [с, d].
Если задается высокая досто­
верность определения нахождения
контролируемой величины в интер­
вале [с, d], то время между опера­
циями дискретного контроля по
сравнению со средним временем
между переходами уставок контро­
лируемой величины существенно
. JГ V 271а.
1 ехр Г.__ *1 dx.
2в?
IL
х
хЛ
При заданной вероятности р0 и
известном (измеренном) значении х
можно вычислить значение интер
вала времени би, на котором выпол­
няется операция контроля с изме­
рением. Характер зависимости 6и(х)
показан на рис. 18-10. Устройство
контроля. должно работать в этом
случае в адаптивном режиме, опре­
деляя после каждой операции кон­
троля и.измерения интервал вре­
мени, через который следует нроиз0
интервала
квантования по времени при знании
значении контролируемой величины.
вести следующую оценку значения
контролируемой величины.
Существенное упрощение аппа­
ратуры может быть достигнуто, если
аппроксимировать функцию 6П(*)
отрезками прямых Значение интер­
вала квантования для этого случая
I
Ои.макс- Е[{х]]
1
где к определяется из выражения
о
значение
Среднее
квантования
й п.м акс
р
И . 'Р -
2
Если выбрать р 0= 0,997, то k= 3
Сравним между собой интерва­
лы квантования повремени для трех
рассмотренных случаев (непрерыв­
ный и дискретный контроль, кон­
троль с измерением) при = 0,997:
бн/6Доп~370; 6ц/6ц~ 15; 6ц/6доп~25.
Следует, однако, заметить, что
вариант контроля с измерением за­
труднительно реализовать при мно­
готочечном контроле. Поэтому наи­
большее применение имеют вариан­
ты непрерывного контроля (при
параллельной структуре системы
контроля) и дискретного контроля
с постоянным интервалом квантова­
ния контролируемой величины (при
последовательном
использовании
канала контроля).
Своеобразный способ учета зна­
чения контролируемой величины
осуществляется при использовании
систем спорадического контроля
(см. гл. 21).
Мы рассмотрели выше' выбор
интервала квантования по времени
непрерывной контролируемой вели­
чины. При проектировании систем
автоматического контроля задачи
выбора интервала между операция220
18-7. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ
И СТОИМОСТИ САК
интервала
______ I_________ 1
£ [ | X |]
11Sh-cp%^^T iW*
ми контроля решаются в соответст­
вующей постановке в зависимости
от объекта контроля. Так, при многопараметровом контроле выбор
интервала между операциями кон­
троля выполняется по каждой вели­
чине, а затем выбирается последо­
вательность контроля величин (см.
§ 12-2); при контроле сложных си­
стем решаются вопросы выбора ин
тервала контроля работоспособно­
сти системы при ее хранении, при
эксплуатации по стоимостным кри­
териям и т. п.
Объект оценки — САК весьма
сложен, и оценивать* его можно
по-разному, с разных точек зрения
(см. гл. 2, 3). Так, эффективность
САК, т. е. степень приспособленно­
сти системы к решению поставлен
ной задачи, может оцениваться по
информационному, стати стическо
му, игровому и другим критериям
[Л. 18-8, 18-18]. Нужно заметить,
что в большинстве литературных
источников эффективность
САК
рассматривается с точки зрения вы
полнения задач управления состоя
нием объекта контроля.
Остановимся на особенностях
приложения для оценки САК ин
формационного и стоимостного кри­
териев эффективности.
Одна из форм информационного
критерия может быть выражена
формулой [Л. 18-8]
пх
2
5,
[Н, « ( < .т ) - Я ,
t)J
(t,*) = — ------ тг-----------------У
т)
i= l
где /Zi — количество контролируе
мых величин; п — количество вели
чин, определяющих работоспособ­
ность объекта контроля; обычно
и коэффициент полноты кон­
троля ПК= пфг<\ в частном случае
tii = n и /7К=1, Hoi(ty т ) — энтропия
/zi</z
по /-му параметру объекта кон­
троля,
#оi(A r ) = —{poi(t, 4)\ogpoi(t, т) +
+ 0 —poi('t,
т)]}‘>
/?0гД, т ) — вероятность работоспо­
собности объекта по*/-й величине,
начиная с текущего момента време­
ни t до момента окончания процес­
са контроля т; ЯД/, х) — энтропия
по /-й величине объекта с системой
контроля
Вероятность безотказной работы по
одной величине
Poi(t, т) =ехр(—Лрг/рг) =
= ехр (—10~3*102) ~ 0,905
Энтропия одной величины
Я0Д/, т ) « 0,905 log 0,905 = 0,437
Энтропия объекта контроля
S
i=i
т)*=4,37; 2
х)=3,49.
>=i
Определим значение энтропии
Hi(t, т) =
{pi(i,т )log
t) +объекта с системой контроля. Ве­
роятность работоспособности объек­
+ t l — Pi(t, T ) ] l o g [ l —
x ) ]>;
та по контролируемой величине
Pi (/, t) — вероятность определения
Pi = ( 1—рт) ехр [—ХргТр*] = 0,996.
работоспособности объекта при на­
личии системы контроля по /-й ве­
Энтропия по каждой контроли­
личине, начиная с текущего момен­
руемой величине
та времени / до момента окончания
ЯД/, т) ~ 0,996 log 0,996 ^0,0323.
процесса контроля т.
В принципе значение этого к р и ­
Энтропия объекта’ контроля с си­
терия может изменяться от 1 (при
стемой контроля
Ш= п и Н%(/, х) =0) до 0 (при tii=n
и Я0Д/, т) = ЯД/, т)). •
2 Ч ('> * ) ~ 0,259.
Приведем пример использования
i=i
этого критерия [Л. 18-8]. Исходные
Информационный
критерий
данные:
ЗД/, т) будет иметь следующее
1) число величин, определяю­
значение:
щих работоспособность объекта п —
3,49 — 0,259
0,65
Эг (/,
= 10, величины независимы;
4Д7
2) число контролируемых вели­
Следовательно, применение дан­
чин /ii = 8, следовательно, Як= 0,8 и
ной
системы контроля дает ощути­
максимальное значение ЭД/, т)—»*
мый
выигрыш, позволяет оценивать
— > 0, 8 ;
состояние
объекта контроля н во­
3) интервалы рабочего времени
время
принимать
меры по устране­
к моменту начала контроля по всем
нию обнаруженных отказов. Даль­
величинам одинаковы и равны /рг-=
нейшее улучшение ЭД/, т) может
= 100 ч;
быть
достигнуто уменьшением оши­
4) интенсивности отказов в ра­
бок второго рода.
бочем состоянии по всем величинам
Об эффективности применения
одинаковы и равны ЯРг=Ю"~3 (1/ч);
САК
в промышленном производстве
5) интервалы времени • между
разумно судить по экономическому
операциями контроля
критерию, например по прибылям
(или потерям) в основном «процессе
Трг=1 Ч*
за достаточно длительный отрезок
6) вероятность ошибки второго
времени [Л 18-12]. Естественно при
рода (необнаруженных отказов)
этом считать, что полученный ре­
зультат контроля должен рацио­
Pm*= 0,04.
нально использоваться для измене­
ния* состояния объекта контроля
Определяем энтропию объекта
при помощи управления, т. е. нужно
контроля без системы контроля.
сравнивать затраты на изготовле­
ние системы и ее эксплуатацию
с прибылью (или потерями) произ­
водства, определяемой применением
•САК с известными техническими
данными.
В общем случае при использова­
нии стоимостного критерия прихо­
дится минимизировать функционал
]Л. 18-12]:
min С (т) = min {Сс (т) +
+ М [С (8, т )]} ,
где Сс ( т ) — затраты на изготовле­
ние и эксплуатацию системы;
£(е, т ) — усредненные по времени
потери, вызванные ошибками кон­
троля; т — цектор значений контро­
лируемых величин; N — область-до­
пустимого изменения т.
Этот функционал может быть
различным по сложности. В ряде
случаев достаточным оказывается
приближенный анализ. Так, при
сравнении систем может быть ис­
пользовано суммарное значение
С = С с + Сп(Г) + С п(р),
где СП(Г )— эксплуатационные по­
тери, зависящие от времени контро­
ля и воздействия на объект контро­
ля с целью изменения его состоя­
ния; Сп(р )— потери, зависящие от
вероятности работоспособности объ­
екта контроля или от вероятности
его нормального состояния.
В простейшем случае потери
СП(Г) и Сп(р) могут быть равны
Си { Т ) = а Т , а Сп(р)=Ь (1—р) (где
р — вероятность правильной работы
или нормального состояния объек­
та контроля).
Положим, стоимость изготовле­
ния двух систем контроля составит
Сс±= 103 руб. и СС2=Ю4 руб. соот­
ветственно. Значение остальных па­
раметров: T i = l мин; Г2=0,1 мин;
P i = 0,9;
р2= 0,95; а= 104 руб/мин;
Ъ= 105 руб/мин.
Тогда суммарная стоимость си­
стем и потерь при их применении
составит:
C!= 103+ 104-l + 105-0,l =
=2,1 • 104 руб.;
С2= Ю4+104-0,1+ 105-0,05 =
= 1,6-104 руб.
Следовательно, применение вто­
рой системы более эффективно.
В заключение этой главы хоте­
лось бы обратить внимание на то,
что имеются значительные успехи
в области оценки характеристик
системы контроля специфических
объектов [Л. 18-20, 18-21]. Широко
проводятся исследования, связан­
ные с вероятностным и статистиче­
ским анализом устройств и процес­
сов контроля, особенно многомер­
ных.
Интерес представляют исследо­
вания технико-экономических во­
просов повышения надежности САК
[Л. 18-19].
ГЛАВА ДЕ В Я Т НА Д ЦА Т А Я
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО
КОНТРОЛЯ
В данной главе рассмотрим принципы
построения основных специфических элемен­
тов САК. К таким элементам следует в пер­
вую очередь отнести унифицирующие эле­
менты, устройства формирования описаний
корм (уставок) и сравнения уставок со зна­
чениями контролируемых величин, а также
устройства представления результатов кон­
троля. Здесь, как и раньше, основное вни­
мание сосредоточим на принципах действия
таких устройств, конструктивные и схемные
их особенности будем привлекать для иллю­
страции.
19-1. УНИФИЦИРУЮЩИЕ
(НОРМАЛИЗУЮЩИЕ) ЭЛЕМЕНТЫ
Основное назначение унифицирующих
элементов связано с (Приведением сигналов
датчиков к диапазону стандартных значе­
ний, установленных ГОСТ 9895-69, ГОСТ
10938-69 и ГОСТ ,10853-69 Применение уни­
фицирующих элементов расширяет возмож­
ности использования САК, делает их более
универсальными, во многих отношениях
упрощает системы ввиду того, что при уни­
фикации сигналов выполняются ряд опера­
ций, которые должны были бы произво­
диться в САК.
В то же время выполнение некоторых
операций унификации сигналов (особенно
масштабирование сигналов) связано с вве­
дением дополнительных погрешностей в ко­
нечный результат измерения и контроля.
Можно предположить, что по мере раз­
вития агрегатных комплексов ГСП в их со­
ставе будет достаточное количество анало­
го-цифровых преобразователей, фильтров и
других элементов, позволяющих сократить
(потребность в унифицирующих элементах.
В настоящее время наибольшее распро­
странение в системах промышленного конт­
роля получили унифицирующие элементы
амплитудно-модулированных сигналов от
датчиков. В промышленном исполнении ча­
сто выпускаются датчики с унифицирован­
ным выходным сигналом, в которых собствено датчики объединяются с унифици
рующим элементом.
Основные функции, выполняемые уни­
фицирующими элементами, сводятся к ли­
нейным ((установление нуля, температурная
компенсация, масштабирование) и нелиней
ным (линеаризация) преобразованиям сиг­
налов от датчиков, а также к уменьшению
помех от цепей с датчиками.
Унифицированные элементы могут быть
индивидуальными, связанными с одним дат­
чиком, и групповыми, работающими с не­
сколькими датчиками {Л. 19-1]. Групповые
унифицирующие элементы ’(рис. 99-1) Обыч­
но используются в системах, имеющих
входные коммутаторы сигналов датчиков
При применении (Групповых унифицирую­
щих элементов особенно важно выполнять
условия правильного согласования их точ­
ностных и динамических характеристик
с характеристиками коммутатора и дру-
Т 00м а к с А
!
i
^//9
хн
^MCLKC^MLLH
~~ХМинА
ОЪ
о
MU.H
а)
б)
JК?
1
ю
Рис. 19-2. К линейному преобразованию*
сигналов датчиков
а — д и н а м и ч еск и е д и а п а зо н ы ш калы и к он тр ол и ­
р у ем о й величины ; б — со в м ещ ен и е миним ального*
зн ач ен и я
к он тр о л и р у ем о й
величины с н у л ев о й
отм етк ой ш калы; в — п р и в ед ен и е м а сш т а б а д и н а ­
м ич еского д и а п а зо н а
к о н т р ол и р уем ой величины
к м а сш т а б у ш калы с п о сл ед у ю щ и м со в м ещ ен и ем
с н ул евой отм етк о й ш калы .
гих элементов контрольно-измерительного
тракта.
Перейдем к линейным преобразовани­
ям сигналов, выполняемым унифицирую­
щими элементами. Типичная задача, решае­
мая при этом унифицирующими элемента­
ми, заключается в (следующем. Пусть вход
САК рассчитан на работу с унифицирован­
ным сигналом, имеющим динамический диа­
пазон (0, хн] (рис. 19-2,а), а сигнал от
датчика изменяется от хМИн до Х м а к с , гор»
этом хн> х Макс—хМИн. В первом варианте
для совмещения начала динамических диа­
пазонов САК н датчика к сигналу датчи­
ка должен быть добавлен сигнал —хмин,
а затем полученный суммарный сигнал дол­
жен быть усилен в А —х в^(хм&кс—хМИн) раэ(рис. 119-2,6). Возможен вариант (рис.
>19-(2,б), при котором сигнал от датчика сна­
чала усиливается, а затем совмещаются на­
чала шкал. В этом случае унифицирующий*
элемент должен выполнить преобразования,,
удовлетворяющие условиям
^макс, ^мпн
^0 — *■Хмнн •^макс
V
V
^мпн
*
По поводу второго варианта, при кото­
ром сначала производится масштабирование(положим, усиление), а затем совмещение
начала шкал, нужно отметить следующее.
Если смещение динамических диапазонов
х-к
00^0
БУ
Рис. 19-3. Схема компенсации температуры
холодного спая термопар.
— термозависимое сопротивление;
стоянное сопротивление
R a — по­
сигнала и систем значительно, то для того
чтобы система могла .воспринять такой сме­
щенный сигнал, динамический диапазон ее
входных устройств должен значительно
•превышать динамический диапазон сигна­
ла от датчиков. Так, например, нулевой сиг­
нал тензодатчиков, обусловленный началь­
ной разностью сопротивления, может »в не­
сколько раз превышать динамический диа­
пазон полезного сигнала, вызываемого из­
менением измеряемой деформации поверх­
ности.
Первый вариант приведения сигнала
датчиков к унифицированному выходу пре­
имущественно используется в 'индивидуаль­
ных унифицирующих элементах, второй —
в групповых.
Случай ХмипФО 'ria практике встре­
чается весьма часто. Объясняется он на­
личием термо-э. д. с. холодного спая термо­
пар, наличием начального сопротивления
термометров ✓ сопротивления, проволочных
тензодатчиков и соединительных линий
чмежду тензодатчиками и термометрами соБ У -------------------------------*
i ——J--------- 1 - J ------ j
Рис. 19-4. Схема включения термометров
сопротивления.
Рис. 19-5. Схема включения диффе­
ренциально-трансформаторного
датчика.
противления и их измерительными схемами.
Для компенсации, температуры
холод­
ного спая при -применении термопар в ма­
шинах централизованного контроля (типа
МАРС, «Зенит») часто используют неурав
повешенный мост с омическим делителем
напряжения (рис. 49-3), позволяющий по
лучать смещающие напряжения xMHH для
различных типов термопар (хромель — ко
пель X—Кj хромель — алю.мель X—А, пла■тинородий— платина Я —Я), учитывающие
температуру окружающей среды [Л. 19-2].
Для термометров сопротивления в машинах
централизованного контроля типа МАРС,
«Зенит» в унифицирующих элементах ис­
пользуется мост, уравновешивающийся при
начальной температуре с помощью балан­
сировочного узла БУ (рис. 19-4). Для
уменьшения влияния соединительных линий
и внешних наводок на них используется
трехпроводная линия соединения термомет­
ров сопротивления R t . с с остальной изме­
рительной схемой.
Для ’дифференциальных трансформа­
торных датчиков начальное напряжена
устраняется зачастую с помощью баланса
ровочного узла БУ, включенного В диффе
ренциальную схему |(рис. 49-5).
Следует заметить, что при большом
числе параметров, контролируемых с по­
мощью и ар а метрических (пассивных) дат­
чиков, наличие балансировочных узлов,
с помощью которых перед началом экспе­
римента устраняется расхождение динами
ческих диапазонов сигналов от измеритель­
ных схем с датчиками, часто создает зна­
чительные неудобства. Дело в том, что руч­
ные операции балансировки занимают зна­
чительное время, и, кроме того, трудно
обеспечить высокие требования к стабиль­
ности балансировочных узлов в течение
длительного времени. Для устранения -этих
недостатков разрабатываются специальные
групповые
унифицирующие
устройства.
Функциональная схема одного из таких
устройств триведена на рис. 49-6. При от-
Рис. 19-6. Схема коррекции ненулевых на­
чальных сигналов датчиков.
оутствии воздействия контролируемых ве­
личии на датчики измеряются сигналы от
измерительных схем с датчиками ic по­
мощью АЦП. Результаты этих измерений
запоминаются в устройстве памяти. При
измерении значений контролируемых вели­
чин замыкается ключ К2 (ключ Ki размы­
кается) и преобразованные с помощью
цифро-аналогового преобразователя завом
ненные результаты начальных значений
сигналов вычитаются из текущих значений
контролируемых величин эта разность по­
дается на АЦП, и результаты измерения
через замкнутый ключ Кз поступают в по­
следующие блоки САК. Использование та­
кого унифицирующего устройства, с одной
стороны, существенно облегчает требования
к АЦП и последующим блокам САК, авто­
матизирует операции совмещения начала
шкал сигналов от измерительных схем
с датчиками и САК. Но, с другой сторо­
ны, цифро-аналоговое преобразование тре­
бует дополнительной затраты времени,
а введение цифровых устройств памяти и
цифро-аналогового преобразователя приво­
дит к усложнению САК.
Усиление сигналов от датчиков выпол
няется в большинстве случаев с помощью
усилителей постоянного
тока
(обычно
с промежуточной амплитудно-импульсной
модуляцией, усилением на переменном токе
и демодуляцией) и переменного тока. Ис­
пользуются также промежуточное преоб­
разование сигналов малого уровня в угло­
вое перемещение с помощью, например
высокочувствительных автоматических по­
тенциометров или мостов и обратное пре­
образование углового перемещения в на­
пряжение ' (с использованием, например,
реостатных датчиков)
При применении параметрических дат­
чиков имеется возможность выполнять мас­
штабирование сигналов на выходе изме-
■рительных схем с такими датчиками, изме­
няя напряжение их питания. К сожалению,
этот путь 'имеет ограничения. Сверху огра­
ничения накладываются обычно предельно
допустимыми тепловыми режимами, а сни­
зу — уровнями шумов. Существенно под­
нять уровень сигнала от измерительной схе­
мы с датчиками удается при применении
импульсного питания [Л. 119-3].
Линеаризация сигналов от датчиков
необходима в (случае, если шкала входного
измерительного преобразователя системы
линейна, а сигнал от датчика связан со
значениями контролируемого параметра не­
линейной зависимостью x=f (v). Тогда по­
сле линейного преобразования сигналов,
в результате которого динамические диа­
пазоны сигнала датчиков и шкалы системы
совпадают, необходимо выполнить опера­
цию линеаризации. Ца практике это осу­
ществляется либо с помощью введения по­
правок ,на нелинейность сигналов, либо
с помощью линеаризирующих устройств
в унифицирующих элементах, в АЦП .или
в вычислительной части САК.
Обычным приемом, используемым в
унифицирующих элементах, является ли­
неаризация сигналов от датчика с помощью
функциональных преобразователей (диод­
ных цепочек, секционированных реохордов
и т. п.), аппроксимирующих зависимость
f(v) несколькими отрезками прямых линий.
При этом линеаризатор должен иметь ха­
рактеристику, позволяющую привести f(v)
к линейной зависимости. Например, в ма­
шине централизованного контроля ЭЛРУ-2
Рис. 19-7. Электрическая схема
линеаризатора сигнала датчика.
Рис. 19-8. Электрическая схема линеаризатора сигнала неуравновешенного моста.
[Л. 49-2] нелинейный сигнал от датчика
преобразуется с помощью электромеханиче­
ского «преобразователя в эквивалентное
угловое перемещение, которое, в 'свою оче­
редь, вновь преобразуется с помощью не­
линейного секционированного
реохорда
в напряжение, связанное с контролируемой
величиной линейной зависимостью.
В машине централизованного контроля
типа «Зенит» (см. гл. 21) линеаризация
производится с помощью усилителей с не­
линейной обратной связью (рис. 19-7),
в цепь которой входит делитель Ri—Re
с шунтирующими диодами Mi—Mi (стаби­
литроны Д-808) {Л. 19-2].
Интересен способ уменьшения нелиней­
ности выходного сигнала неуравновешенных
мостов, вызываемой переменным суммар­
ным сопротивлением мостовой цепи и не­
линейностью отношения плеч при одном
датчике, воспринимающем контролируемую
величину. Этот способ основан на измене­
нии напряжения питания моста с помощью
усилителя с переменной обратной связью
(рис. >19-8), благодаря чему на плече 2R +
+ /?д поддерживается .постоянное напряже­
ние; при нелинейности, датчика около il%
нелинейность выходного напряжения не
превышает приблизительно 0,1%. Схема,
обеспечивающая поддержание постоянного
напряжения на мосте при переменной на­
грузке, представлена на рис. 19-9. Схемы
(рис. 119-8, >19-9) попользуются в многото­
чечных контрольно-измерительных системах
типа DACQ .(Япбния) (гл. >12).
Не имея возможности более подроб­
но останавливаться на расчете и особенно^
стях конструирования линеаризаторов, со­
шлемся на литературу, .в которой этот воп­
рос рассматривается достаточно детально{Л. 119-4]. (Выбор типа линеаризаторов —
аппаратный (индивидуальный или группо­
вой) либо использование цифровых вычис­
лительных устройств САК зависит от ко­
личества и вида контролируемых величин,
требований к точности преобразования и
другим характеристикам [Л. ‘19-'5].
Нужно отметить, что унифицирующие
элементы выполняют зачастую ряд допол­
нительных функций; к ним, например, от­
носятся уменьшение влияния вышедшего из
строя датчика на последующие узды систе­
мы, согласование сопротивлений датчика
со входом системы (в большинстве случаеввыходное сопротивление унифицирующих
элементов должно находиться в пределах
от '100 до 300 Ом) и др.
19-2. ПОМЕХИ ВО ВХОДНЫХ ЦЕПЯХ
САК И МЕРЫ ПО УМЕНЬШЕНИЮ
ИХ влияния
В реальных условиях эксплуатации:
САК помехи довольно часто достигают зна­
чительной интенсивности. Известны случаи,,
когда САК не могли нормально работать
из-за влияния помех. Расположенные вбли­
зи измерительных цепей электроэнергетиче­
ские установки и силовая проводка пита­
ния являются основными источниками так
называемых н а в е д е н н ы х , или п о п е ­
р е ч н ых , помех. По существу они являют­
ся следствием воздействия внешних элек­
тромагнитных полей, а также реактивных
связей с источниками помех. В свою оче­
редь такие факторы, как уменьшение со­
противления изоляции (например, от влия­
ния повышенной температуры), появление
разности потенциалов в точках заземления,,
тепловые шумы могут явиться источниками
помех другого вида, которые носят назва­
ние п р о д о л ь н ы х .
Приведем пример (Л. (19-6], показываю­
щий возможный уровень помех от электри­
ческой нагревательной печи, имеющей об­
щую потребляемую мощность 600 кВт.
В непосредственной близости от печи мак­
симальное значение напряженности магнит­
ного поля было равно
520 А/м, на расстоянии
2 м — примерно 40—70 А/м,
причем напряженность маг­
нитного поля довольно су­
щественно изменялась по
высоте.
Напряженность
электрического поля дости­
гала 500 В/м. На проводах
длиной 5 м при расстоянии
между проводами 2 мм и
расположении
проводов
Рис. 19-9. Схема стабилизатора питания моста.
вблизи печи на частоте
--------1/V . ,-- ,
J
Г7 1
JL
|
САК
КТ
у
™
Рис. 19-10. Схема для уменьшения продоль­
ных и поперечных помех.
'50 Гц наводится напряжение помехи поряд­
на 2 • НО-3 В. Если учесть, что чувствитель­
ность термопар лежит в пределах от
0,5 • .10— до 7 • 10~5 В/°С, то становится по­
нятной необходимость защиты от попереч­
ных помех.
Помимо промышленных поперечных по­
мех на входные цепи САК могут оказы­
вать влияние атмосферные помехи, но обыч­
но их влияние в САК 'ближнего действия
незначительно.
Продольные помехи в промышленных
установках могут достигать'уровня десятых
долей вольта.
В подавляющем большинстве случаев
помехи, воздействующие на входные цепи
САК, носят периодический (часто синусои­
дальный) или импульсный характер. Для
защиты входных цепей САК от их влияния
используются специальные устройства, вхо­
дящие обычно в состав унифицирующих
элементов. К таким устройствам относятся
«пассивные и активные фильтры, компенса­
ционные трансформаторы, разделительные
конденсаторы и т. п. (Методика расчета
-фильтров относительно хорошо разработана
(см. например, |[Л. (19-7]). Основные огра­
ничения при применении низкочастотных
фильтров связаны с запаздыванием и
ослаблением сигналов
вносимых фильт­
рами.
Для уменьшения влияния поперечных и
продольных помех в САК широко исполь­
зуются также различные схемные решения,
связанные с применением мостовых цепей,
компенсационных трансформаторов разде­
лительных конденсаторов, устройств синх­
ронного детектирования и т. п. [Л. 119-6,
19-9]
В качестве примера рассмотрим устрой­
ство, предназначенное для уменьшения по­
перечных и продольных помех в цепях
с термопарами, состоящее из компенсацион
ного трансформатора и разделительного
конденсатора (рис. 19-60). .Применение трех
электродной термопары 777 с компенсаци
онным трансформатором КТ существенно
уменьшает уровень поперечных
помех,
а разделительный конденсатор С служит
для уменьшения влияния продольных по­
мех, появляющихся вследствие существова­
ния разности потенциалов между точками
заземления термопары и входа САК. При­
менение такого устройства в ряде случаев
позволяет уменьшить влияние общих помех
(поперечных и продольных совместно)
в НО5—ilO6 раз (на <100—1120 дБ).
Более подробные сведения о методике
расчета такого рода устройств и областях
их применения, а также необходимые биб­
лиографические материалы можно найти
в (Л. ,19-6—119-10].
Помимо специальных устройств защи­
ты от помех, входящих в состав унифи­
цирующих элементов, в САК необходимо
принимать меры по защите измерительных
проводов, соединяющих датчики со вход­
ными устройствами САК. В первую оче­
редь нужно обратить внимание на необхо­
димость сближения и скрутки измеритель­
ных проводов, построение контуров из из­
мерительных проводов, в которых помехи
взаимно компенсируются, а также на экра­
нирование проводов.
При длине соединительной линии около
30 м и расстоянии между проводами 0,002 м
на частоте 50 Гц в условиях промышленных
помещений напряжение поперечной помехи
может принимать значения от микровольт
до десятков милливольт
Если параллельно измерительным про­
водам
проходят
силовые
провода
(рис. U9-U1), то из-за наличия взаимной ин­
дуктивности э. д. с., наводимая на измери­
тельных проводах, может быть найдена из
выражения
= — 2.10Ч In
#12Д21 di
fljlfl22 dt *
пде l — длина проводов; М — коэффициент
взаимной индуктивности; i — ток в преде­
лах; а — расстояние' между проводами.
Если учитывать и емкостные связи
между проводами, то ввиду их несимметрии также может появиться напряжение
•помехи, пропорциональное разности емко­
стей, разности напряжений и сопротивле­
нию цени. Так, при длине соединительных
линий 30 м, погонной емкос?Ьц /150 • 10~12Ф/м
и сопротивлении линии 100 Ом может быть
получено напряжение помехи порядка
/16,5 • НО-3 В при напряжении на силовых
Рис. 19-11. Расстояние между
параллельными проводами.
проводах 220 В. При скрутке проводов
э. д. с., наводимые в отдельных элементар­
ных контурах, взаимно вычитаются, и бла­
годаря этому удается уменьшить влияние
поперечных помех на измерительные про­
вода на несколько порядков.
Для уменьшения влияния поперечных
помех в САК 'широко применяются трех­
проводные линии соединения датчиков со
входными цепями. При использовании вы­
несенного измерительного моста, составлен­
ного, например, из тензодатчиков, исполь­
зуется четырехпроводная соединительная
линия. В этом случае целесообразно прово­
да индикаторной диагонали вести отдельно
от проводов диагонали питания.
Во всех этих схемах провода полезно
окручивать ,и экранировать. В САК про­
мышленного типа весьма часто скрученные
измерительные провода размещаются в га­
зовых стальных трубах, служащих экраном
и защищающих измерительные провода от
механических повреждений. Экранировка
измерительных приборов является эффек­
тивной мерой защиты от действия низко­
частотных (магнитные экраны) и высоко­
частотных (электростатические экраны из
материалов с высокой электропроводно­
стью) электромагнитных полей, а также
для уменьшения емкостных связей между
измерительными и силовыми цепями.
В заключение считаем необходимым
подчеркнуть важность принятия мер по­
вышения помехозащищенности входных це­
пей САК, работающих с сигналами низкого
уровня.
19-3. УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ
ОПИСАНИЙ НОРМ И СРАВНЕНИЯ
УСТАВОК СО ЗНАЧЕНИЯМИ
КОНТРОЛИРУЕМЫХ ВЕЛИЧИН
Описание норм (уставок), в системах
допускового контроля может быть, как это
уже говорилось, выполнено в двух вариан­
тах — аналоговом и цифровом.
Остановимся сначала на устройствах
формирования уставок в аналоговой форме.
Если контролируемая величина преоб­
разуется в эквивалентное (связанное изве­
стной, обычно линейной, зависимостью) уг­
ловое или линейное перемещение с по­
мощью измерительного преобразователя
(типа стрелочного прибора непосредствен­
ной оценки, автоматического моста или
компенсатора), то уставки также весьма
часто задаются в виде линейных и угловых
перемещений. При достижении контролируе­
мой величиной значения уставки с помощью
контактной пары, фотоэлектрического реле
и т. п. получается соответствующий сигнал.
Этот сигнал фиксирует достижение контро­
лируемой величиной уставок. Основная по­
грешность в этом случае определяется раз­
решающей способностью устройства сравне­
ния уставки со значением контролируемой
•величины.
Если контролируемая величина с по­
мощью датчиков и унифицирующих эле­
ментов преобразована в напряжение или
ток, то уставки обычно задаются с по­
мощью делителей напряжения или тока.
Устройства сравнения аналоговых зна­
чений контролируемой величины и уставок
практически ничем не отличаются от
устройств сравнения АЦП (Л. 19-Л1, И9-(12]г
поэтому здесь мы на них останавливаться
не будем.
В качестве устройства, совмещающего
функции формирования уставки и устрой­
ства сравнения, используются соответствую­
щие реле, порог срабатывания которых
устанавливается с помощью образцовых
сипналов ((например, опорных напряжений
или воздействий, специфических для дан­
ного -релейного устройства). К такому
классу устройств можно отнести релейные
устройства, основанные на использовании
ждущих генераторов (в том числе релак­
сационных блокинг-генераторов), одновибраторов ;(следящих триггеров), дифферен­
циально-усилительных устройств с положи­
тельной обратной связью, электромеханиче­
ских реле, магнитоуправляемых контактов
и т. п.
Остановимся на простых устройствах
допускового контроля [Л. 19-йЗ] с вентиль­
ными элементами, имеющими приближаю­
щуюся к ступенчатой вольт-амиерную ха­
рактеристику. Если на вход такого элемен­
та подать модулирующее напряжение, то
ток через вентильный элемент в закрытом
состоянии, вызванный модулирующим на­
пряжением, будет иметь весьма небольшое
значение. В открытом состоянии сопротив­
ление вентильного элемента резко падает,
и проходящий через него ток, имеющим
пульсирующий характер, значительно воз­
растает. Таким образом, в вентильном эле­
менте при воздействии на него модулирую­
щего напряжения совмещаются функции
модулятора и порогового элемента. Вен­
тильный элемент управляется разностью
между текущим значением контролируемой
величины и
значением
уставки.
На
рис. '19-Я2 представлены принципиальные
схемы простейших устройств допускового
контроля, содержащих верхнюю н нижнюю
уставки, с использованием потенциометри­
ческой и мостовой схем.
В качестве вентильных элементов мо­
гут быть использованы диоды типа Д-210
и др. Генератор модулирующих колебаний
может быть маломощным (порядка деся­
тых долей ватта), частота' колебаний
50 Гц—50 кГц, а амплитуда модулирую­
щего напряжения примерно на два .порядка
меньше напряжения питания. Для фикса­
ции результатов контроля могут быть ис­
пользованы релейные элементы со световым
или иным сигналом, перед ними могут
быть .применены простейшие усилители пе­
ременного тока. Зона нечувствительности
допускового контроля с учетом изменения
-0Un 0~
a)
Рис. 19-12. Схемы допускового контроля с вентильными элементами
а — с п от ен ц и ом ет р и ч еск ой сх ем о й , б — с м остовой сх ем о й .
температуры в диапазоне ±20 °С состав­
ляет около (10 мВ, при введении темпера­
турной компенсации она уменьшается до
единиц милливольт. Имеются реализованные
устройства допускового контроля с в е н ­
тильными элементами, обеспечивающие за
дание до 20 уставок.
Для повышения надежности в ответ­
ственных случаях на каждой точке контро­
ля используется по нескольку датчиков
(например, по три). Сигнал от каждого
датчика сравнивается со своей уставкой
{Л. 19-И2, 119-И4]. Результат контроля опре­
деляется по принципу голосования: напри
мер, если два или три из трех результатов
контроля совпадают, то тогда выдается
согласованный результат контроля.
Имеется
довольно
много
типов
устройств допускового контроля, построен­
ных на трансформаторах [Л. 19-115] тун­
нельных диодах [Л. Ц9-»16], полупроводнико­
вых диодах и транзисторах [Л. 119-117]. Поис­
ки надежных, простых, точных и быстро­
действующих устройств допускового конт­
роля продолжаются до настоящего вре­
мени.
Если
описание
норм представлено
в цифровом виде, то при большом коли­
честве контролируемых величин значения
уставок вводятся либо в специализирован­
ные автономные устройства памяти, либо
в память вычислительной машины.
Сопоставление уставок со значением
контролируемых величин в этом случае мо­
жет быть выполнено в цифровом либо
в аналоговом виде.
В первом случае значение контролируе­
мой величины должно быть выражено циф­
ровым кодом, во втором—’Цифровое зна­
чение уставки должно быть преобразовано
в аналоговую
величину,
однородную
с контролируемой. -По 'второму способу
выполняется сравнение в системе ИВ-600
(см. гл. 22).-
Остановимся на сопоставлении значе­
ний уставки и контролируемой величины
в цифровом виде [Л 19-18] В этом случае
может быть осуществлено непосредствен­
ное сравнение кодов двух чисел или сравне­
ние их путем получения и анализа разно­
сти их значений.
Напомним значение элементарных логи
ческих функций. В табл. 19н1 представле­
ны значения элементарных логических
функций для двухразрядных двоичных пе­
ременных А и В.
Таблица 19-1
Схема сравнения, выполняющая логи­
ческую функцию
ИЛ Д£о) V (Л А 5,)] л [(Л А 5,) V
V (Л ЛД1)1ЛКЛЛЛ)У(ЛЛ5',)]....
позволяет установить равенство чисел Л =
= B ( A = A QAiA2. .
B = B0BiB2...) , имею­
щих одинаковое
количество
разрядов
(рис. 19-113). Но при дискретном контроле
такая схема не обеспечивает надежного
определения состояния, в котором нахо­
дится текущее значение контролируемой
величины (особенно при контроле, прово­
димом через определенные интервалы вре­
мени).
А
А >5
7 э----■Яс /?
Рис. 19-14. Схема сравнения однораз­
рядных двоичных чисел.
Имеется возможность
минимизации
числа элемента:рных операций. -После мини­
мизации:
для А > В
АхД 5 , V ( A V # i ) А А>;
для А < В
Рис. 19-13. Схема сравнения для
определения равенства двух чисел.
Этим логическим функциям соответ­
ствует схема, 'представленная на рис. 119-115.
Для сравнения между собой чисел с коли­
чеством разрядов, превышающим два, мож­
но использовать «пирамидальное объедине­
ние схем сравнения двухразрядных чисел.
Таблица
19-2
А>В
А В . л В о ) у И . Л Л Л В , а в 1);
для Л < В
(Л А Л Л В, Л Во) У ( Л Л Л Л
Л в, а в0) V (Л Л Л А В, А в0) V
V (Л А Л Л в, a B ,)v (Л А Л А
А в, Л Л) V (Л Л Л А в,АВо).
01
10
11
00
01
10
и
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
А<В
В —B\Bq
00
01
10
11
о
(Л Л Л Л
в,Д So) V (Л Л Л Л
Л ё . Л в 0) V Hi Л Л л в, л Во) V
V (Л А Л А Л Л Л ) У ( Л Л Л Л
00
II
или А = В = О[А = В, (Л Д £) V (А Д В)
(рис. 19-14).
Результаты сравнения двухразрядных
двоичных чисел при определении состояний
А > В и А < В представлены в матричной
форме (табл. 19-2). В соответствии с мат­
рицами:
для А >В
в-=ВгВ0
о
"С
II
Рассмотрим схемы, позволяющие опре­
делить соотношения между числами Л и В:
Л>В, А < В или А = В
Если А и В — одноразрядные двоичные
числа, то А > В при А = 1, В = 0 (А > В ,
ЛАВ); А < В при А - - = 0 ; В = \ ( А < В %
A 'i / \ В) и \А = В при А = В — 1
00
01
10
11
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
Имеется возможность сравнения д-вух
десятичных кодов А п и В п по логике
«■равно— больше — меньше» (Л. 119-19]. Сиг­
нал на выходах устройства сравнения мат­
ричного типа Р п (равно), Б п '(больше) и
М п (меньше) возникает соответственно в
случаях А п —Вп, А п> В п, А п< В п. Логи­
ческие функции, определяющие (появление
этих сигналов (рис. 19-16) •
Мп
°п Л On V
2nV 3nVV 9®) V i^A
Л (2« V 3° V ••• V 9n) V V Л 9®;
■Л>в
1^ Л °л V 2л Л (°п V *п) V • V 9^ л
Л (°n V l^V V8®);*
л.
_
Af„ V Бп-
После сравнения отдельных разрядов
выполняется сравнение полученных резуль­
татов по «всем кодам в соответствии со сле­
дующими логическими функциями (при на­
личии k десятичных разрядов):
М
Мк\ / Мь- t A P h V Мь-гA A .-iAA.V■ • • V M , A A A - - A А;
Б
•••
• • .V A A A A -A A ;
р
_
Рис. 19-15. Схема сравнения двухразряд­
ных двоичных чисел.
«Л 5-
-U
i
4
4
4
X :ч ч к ч ч к ч У
у кК к
X ч У
к укк
ч У ч Ч
■2е
У ч у ч к klу ч ч ■3*
у у у Ч к Ч'ч У ч
ч к. ч ч Ч|ч ч к ч -5*
ч 4 Jч ч ч к У
кк Ч'41
У к iу ч ч ч У
\ к ч У у Ч| ч Ч У
Уiк2у ч
У
)
У
ч
ч
4ч
г
к
2
I
Ь 2
и .к2d к
L3 EJС2
4
1
<
4
4
4
I
'
к
<
(
<
<у
ухк
К
а
<
Z
Г
<
<
1
(
<
I
1
1
(
|
1
1
“ -X
4 А
мп
ч 1 Т1
3
Зг
-*~Рп
Рис. 19-16. Матричная схема сравнения одноразрядных десятичных чисел.
Рис. 19-17. Использование сумматора
для сравнения чисел.
Сопоставление кодов двух чисел, как
Фил ось выше, может быть также вы­
числено путем их вычитания и анализа
•разности Поскольку операции суммирова­
то
ния
аппаратур
ноW
;выпол
нить
II /1
U
1111 и у щл Л J у Л*
~ -.....
~
—проще1
'
•в большинстве устройств сравнения сумми­
руется код одного числа с дополнительным
(инверсный код плюс единица в младшем
разряде) кодом другого. В сумматоре вы­
полняется операция суммирования чисел А
и В и переноса избыточного разряда
«в старший разряд '(табл. 19-3 и рис. '19-^17).
Разность чисел А и В будет иметь поло­
жительный знак, если результат суммиро­
вания имеет избыточный разряд, и отрица­
тельный, если результат суммирования без
избытка.
Таблица 19-3
В случае вычитания из В числа А для
получения абсолютного значения следует
получить дополнительный код от 2>(В +
+ ^доп).
Необходимо отметить, что существен­
ное упрощение устройства сравнения дости­
гается при представлении результатов Конт­
роля по способу представления допусков
относительно номинального значения (см.
§ 1о-5). В этом случае устройство сравнеуценивает лишь соотношение между
АЛ, |ДЛВ и 1ДЛН ((рис. 19-W8).
В САК используются как аналоговые,
так и цифровые устройства сравнения.
19-4. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
КОНТРОЛЯ В САК
1
В GAK необходимо ифедставить состоя­
ние относительно заданных описаний норм
большого количества' (40 и более) контро­
лируемых величин. Наибольшие трудности
в восприятии результатов контроля человеком-оператором и при вводе результатов
контроля в В'М или в САУ возникают -при
отклонении контролируемых величин в объ­
екте контроля (технологическом оборудова­
нии, радиоэлектронной аппаратуре и т. п.)
от нормального состояния при аварийной
ситуации. Устройство представления данных
СА1\ должно быстро и эффективно предста­
вить информацию, необходимую для приня­
тия соответствующего решения, с учетом
пропускной способности системы (В'М, си­
стемы управления) и человека-оператсра,
1
1
0
0
если он участвует в принятии решения по
А
оценке
состояния
объекта
контроля.
1
0
1
0
В
Основы расчета пропускной способности
технических систем разработаны относи­
0
1
1
0
Сумма М«Д В \ / А / \ В
тельно полно (см. гл. 2).
1
0
0
0
Перенос А Д В
Значительно сложнее обстоит дел®
с рациональной организацией взаимодей­
ствия между САК и человеком-оператором.
ся сравнение чисел А = 64 и В —32 (индекс
Проблемы, возникающие при этом, относят­
«доп» относится к дополнительному коду)
ся к развивающейся -ныне быстрыми тем­
пами инженерной психологии, изучающей
- А = 1000000 (64)
В =* о 100000 (32)
закономерности взаимодействия человека и
В =0100000 (32)
А = 1000000 (64)
машины [Л. 119-20]. Инженерная психология
опирается на физиологические и психофизи­
А до а = 100000°
Вдоп = 1100000
ческие данные человека. Нужно заметить,
что -вопросы работы человека со средства­
S (В -f* А доп) —
Х(Л -{- £ д о п ) ;
ми измерения относительно давно рассмат­
= 1100000 (—32)
ривались в измерительной технике и учи­
= 10100000 (+ 32)
тывались при создании неавто­
матических средств измерения
[Л. 19-21].
Работа человека-оператора
САК овязана в первую оче­
редь с восприятием оператором
результатов контроля, выда­
ваемых с помощью сигнализа­
торов состояния контролируе­
мых величин, и, в случае необ­
ходимости, брлее детальной
оценки оператором значений
контролируемых величин (ис­
Рис. 19-18. Схема сравнения ДА с допусками
пользование результатов изме-
рения) Информация для восприятия человеком-оператором (независимо от структуры
и алгоритма работы системы) выдается
обычно одновременно (параллельно) для
всех контролируемых величин. Последова­
тельный вывод информации на один сигна­
лизатор потребует от оператора больших
затрат времени и выполнения дополнитель­
ных операций запоминания контролируемых
величин, вышедших из нормального состоя­
ния. Количество описаний норм (уставок)
обычно находится в пределах от \ до 5.
Наиболее распространенное при технологи­
ческом (допусковом) контроле количество
уставок равно двум.
Возможно (решение задачи об опреде­
лении допустимого количества контролируе­
мых величин в зависимости от их статисти­
ческих характеристик, ширины / интервала
нормального состояния [с, d] и физиологи­
ческих данных человека-оператора [Л. 19-22].
Положим, -система контроля имеет две
уставки с и d и фиксирует нормальное со­
стояние значения N величин.
Энтропия устройства представления со­
стояния контролируемой величины в этом
случае
Hi(X, [cf d])=— {Pi ( c ^ X ^
^. d) \п p i ^ C i ^ X ^ d ) +
+pi(X<c) In р» (X < c) -Ь
+ Pi(X>d) In pt(X>d)}.
Если распределение вероятностей X(t)
подчиняется нормальному закону и не учи­
тываются корреляционные . связи между
контролируемыми величинами (это несколь­
ко увеличивает энтропию), то суммарное
количество информации, которое получит
оператор за одно обращение к устройству
представления результатов контроля, будет
равно:
Н{Х, [с, d])=NHi(X, [с, d\).
Скорость получения информации опе­
ратором
Н (X, [с, d\)
<доп “
Тои
где Топ— время восприятия оператором со­
стояния сигнализаторов
Экспериментально
установлено,
что
Ton~to+bl {Л 119-23]; здесь ^ —время ре­
акции, равное в среднем 0,2 с; / — коли­
чество выводимой информации; Ъ— коэф­
фициент, зависящий от субъективных ка­
честв оператора и равный 0Л5-т-0,25 с/бит.
Следовательно, ГОп=0,2-1-аЛ где 0 ,1 5 ^
0,26.
'Ввиду того что информация оператору
доставляется только сработавшими сигна­
лизаторами, число которых равно N*,
TOn=0y2+aN*\n К,
где К — количество равновероятных альтер­
нативных состояний сигнализатора <(в на-
Рис. 19-19. К определению числа
срабатывающих сигнализаторов.
шеи случае /С=3). Тогда
Н\(Х, \c jd\)
A nn ---
0,2, N*-.
Ж + — [Ып К
(Между процентом сработавших сигна­
лизаторов и отношением ширины зоны I
к среднеквадратичному отклонению ох для
•нормального, симметричного относительно
номинального значения закона распределе­
ния вероятностей контролируемой величину
и симметричного размещения уставок от­
носительно номинального значения 0 имеет­
ся ясная зависимость (рис. <19-119), так как
tf*/N=il—p ( c ^ X ^ d ) .
Следовательно,
имеется возможность определить R on 'При
заданном N и различных значениях //о*.
В {Л. 19-22] приведен график, позво­
ляющий оценить максимальное значение
скорости получения информации R oa при
различных значениях N, 1/ах.
Таким образом, выбор 1/ох влияет на
скорость получения информации операто­
ром.
В случае, если интервал [с, d], ах и
количество сигнализаторов N заданы, го
можно определить, какое чисДо операторов
должно быть привлечено для работы с дан­
ным N.
Если ограничивающим фактором яв­
ляется время восприятия, то при заданном
IIGx можно определить, какое количество
сигнализаторов может обслужить один опе­
ратор. Положим Гоп^0,5 с, тогда
r On=0,2+0,15iV* In /(=0,5;
0,5 — 0,
= 0,15-In 3 ~ 2>а
При Цах=2
N */N =5 • JO-2
Следовательно, один оператор может
за это время обслужить N='N*!(5- 10-2) »
« 4 0 устройств сигнализации. При большем
количестве сигнализаторов необходимо уве­
личивать число операторов.
(Нужно отметить, что время восприятия
информации оператором Гоп зависит от ря­
да дополнительных факторов. Так, напри­
мер, оно может увеличиваться при нали­
чии помех, затрудняющих работу оператора
(шум, световые помехи и т. п.), и несколь-
ко уменьшаться ;после обучения опера­
тора.
Использование
человеком-оператором
результатов контроля для целей диагности­
рования состояния объекта и управления
его состоянием приводит к необходимости
учета связей между состояниями контро­
лируемых величин и объекта, тренированно­
сти оператора и т. д. Рассмотрению этих
вопросов -посвящены многие исследования
[Л. 19424, >19-25]. Мы же кратко остановим­
ся на выводах из этих работ, имеющих для
нас определенное значение.
Заметного увеличения скорости перера­
ботки информации оператором, являющим­
ся звеном системы управления, можно до^стигнуть, если информация, отображаемая
’"выходными устройствами САК, -будет пред­
ставляться с учетом априорных знаний об
объекте управления, а также но мере бо­
лее полного знания оператором математи­
ческой модели объекта управления. Сте­
пень использования априорной информации
■об объекте управления повышается при пе­
реходе от произвольного размещения -ин­
дивидуальных устройств (представления ре­
зультатов контроля к групповому их раз­
мещению (поагрегатно или с выделением
основных величин), размещению на мнемо­
нических схемах или структурных схемах
событий (Л. 19-25]. Устройства представле­
ния результатов контроля в соответствии
со сказанным обычно комплектуются на
пультах групповым способом, на мнемосхе­
мах или в структурных схемах событий.
Наиболее распространенными техниче­
скими средствами представления результа­
тов контроля в САК являются световые
сигнализаторы выхода контролируемых ве­
личин за уставки (в качестве таких -сигна­
лизаторов используются лампочки накали­
вания, люминесцентные элементы, (газораз­
рядные лампы), электронно-лучевые трубки,
стрелочные приборы с указателями уставок
контролируемых величин. Световая сигна­
лизация |(непрерывная или мигающая), как
правило, действует -в течение всего време­
ни выхода контролируемой величины за
уставку I(следовательно, в этом случае не­
обходимо предусмотреть устройства памя­
ти). Звуковая сигнализация используется
при выходе наиболее важных контролируе­
мых величин за уставки, а также для сиг­
нализации аварийных состояний ^-прерыви­
стые или непрерывные звуковые сигна­
лы).
(В большинстве существующих САК ре­
гистрируются значения величин, вышедших
за уставки. Как правило, отклонения реги­
стрируются на печатающих машинках крас­
ным цветом. Управление регистрацией
отклонения
производится
сигналами
устройств сравнения уставок со значениями
контролируемых величин. При отклонении
величины регистрируются номер величины,
момент времени, когда это отклонение про­
изошло, и значение величины. Кроме того,
устройства представления должны обеспе­
чивать периодическую регистрацию значе­
ний всех контролируемых величин по вы­
зову оператора.
Некоторые технические данные уст­
ройств представления результатов конт­
роля будут рассмотрены ниже.
ГЛАВА ДВАДЦАТАЯ
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
ПАРАЛЛЕЛЬНОГО И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО
ДЕЙСТВИЯ
20-1. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО
КОНТРОЛЯ МГНОВЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ
ВЕЛИЧИН С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ
КАНАЛАМИ КОНТРОЛЯ
Системы автоматическЪго кон­
троля с параллельными каналами
контроля называются также много­
канальными САК или системами
с однократным использованием ка­
нала контроля [Л. 20-1].
В таких системах в каждом ка­
нале используются относительно
простые контрольно-измерительные
приборы. Уставки задаются в каж­
дом канале контроля самостоятель234
но, каждый канал имеет свои устройства сигнализации (рис. 20-1).
Здесь не расшифровывается со­
став канала контроля КК, посколь­
ку об этом говорилось выше. Есте­
ственно, этим системам присущи
достоинства и недостатки ИИС па­
раллельного действия: возможность
получения''повышенного быстродей­
ствия; структурная простота, связан­
ная с возможностью использования
относительно простых и выпускае­
мых промышленностью устройств
канала контроля; повышенная на­
дежность работы каждого каналаВместе с тем многоканальные САК
Рис. 20-1. Схема одного канала САК
с параллельными каналами контроля.
характеризуются наибольшим коли­
чеством элементов, входящих в
структуру системы
Современные контрольно-изме­
рительные приборы весьма часто
позволяют выдавать результаты
контроля в виде цифрового кода
(кодоимпульсного сигнала). Это по­
зволяет создавать многоканальные
САК с последовательным выводом
результатов контроля и измерения
в ВМ, систему управления, в об­
щие для всех каналов запоминаю­
щее и регистрирующее устройства
(рис. 20-2)
Следует отметить, что в такой
системе результаты контроля могут
быть получены практически в любой
момент времени и каждый канал
работает в непрерывном режиме
(см. гл. 18-6), что обеспечивает по­
вышенную надежность операций
контроля. В большинстве подобного
рода систем применяются индиви­
дуальные устройства сигнализации,
индикации результатов измерения
и локального регулирования. В та­
кой системе возможно управление
изменением уставок и коммутацион­
ной ‘функции от ВМ или САУ.
Многоканальные САК весьма
широко используются при управле­
нии технологическими процессами
во многих отраслях промышленно­
сти [Л. 20-2]. В качестве устройств
канала контроля весьма распро­
странены автоматические мосты и
потенциометры с устройствами сиг­
нализации. Поскольку подобные
устройства относятся к контрольно­
измерительным приборам, мы рас­
сматривать их подробно не имеем
возможности. Однако целесообразно
кратко остановиться на новых раз­
работках контрольно-измерительных
приборов. В первую очередь имеется
в виду унифицированный комплекс
аналоговых устройств общепромыш­
ленного назначения [Л. 20-3—20-5],
а также щитовых цифровых прибо­
ров [Л. 20-6].
Аналоговые устройства выполня­
ются в малогабаритном исполнении
со световым указателем и цветны­
ми светофильтрами Цветные свето-
Рис. 20-2. Схема САК с параллельными каналами контроля и последовательным
выводом результатов контроля.
фильтры (красный и зеленый) с пе­
ременной установкой позволяют изменять уставки контроля каждой
величины. Блочный принцип по­
строения этих приборов позволяет
в одной конструкции объединять
по 3, 4, 8 и 12 приборов. Блок на
четыре прибора имеет габариты
1 6 0 X 6 0 X 2 9 7
мм. Класс точности
приборов 1,0, время измерения при
мерно 2 с, длина шкалы равна
1 2 0 мм. Заводом «Вибратор» в та
ком исполнении выпускаются мил
лиамперметры М-1740, М-1741 (1,
1 - 0 —1, 5—0—5, 20, 20—0—20 мА)
и вольтметры М-1742 и М-1741 (1,
1—о—1, 10, 10—0—10 В), готовятся
к выпуску милливольтметры, позво­
ляющие работать непосредственно
с термометрами сопротивления и
термопарами. Световые указатели
при блочной конструкции сущест­
венно облегчают
сопоставление
между собой значений контролируе­
мых величин.
Заводом
«Электроточприбор»
(г. Омск) ссваивается производст­
во аналоговых узкопрофильных
приборов с линейными газоразряд­
ными указателями без подвижных
частей [Л. 2 0 - 5 ] . Размеры по налич­
нику 2 0 0 X 3 0 мм. Класс точности 4 , 0
(разрабатываются приборы класса
точности 2 , 5 ) . Время измерения ме­
нее 1 с.
В унифицированный комплекс
аналоговых приборов • входят так
называемые компараторы, позво­
ляющие производить операции кон­
троля и выдавать электрические
сигналы при достижении контроли­
руемыми величинами значений уста­
вок. Эти сигналы могут быть ис­
пользованы для сигнализации и вы
полнения
простейших операций
автоматического регулирования.
Таким образом, унифицирован­
ный комплекс аналоговых приборов
позволяет создавать многоканаль­
ные контрольно-измерительные си
стемы в соответствии со структу­
рой, показанной на рис. 20-1.
Омским заводом «Электроточ­
прибор» освоено производство щи­
товых цифровых приборов — вольт­
метров постоянного тока типа
Ф200/1, Ф200/2, Ф200/3 на 10, 100,
1Q00 В, класс точности 0,5 1—3 из­
мерения в секунду (с фильтром —
0,1 измерений в секунду), и пере­
менного тока Ф220/1—Ф220/5 на 1
10, 100, 500, 1000 В, с частотным
диапазоном 40—5000 Гц (для пер­
вых трех модификаций) и 45—
55 Гц (для Ф220/4 и Ф220/5), клас­
сом точности 1,0 и быстродействием
0,2 измерения в секунду. Габарит­
ные размеры измерительного блока
80X200X310 мм. Результат измере­
ния выдается в параллельном дво­
ично-десятичном коде 8—4—2— 1
что позволяет сочленить приборы со
входом ВМ, использовать цифро
печатающие устройства, перфорато­
ры, цифровые индикаторы.
Кроме указанных заводом выпу
скаются цифровые щитовые четы
рехразрядные приборы (в тех же
габаритных размерах): вольтметры
постоянного тока Ф203 и Ф204 (1,
10, 100 В, классы точности 0,2/0,1,
0,3/0,15, быстродействие 50 измере
ний в секунду и 2,5 измерений в се­
кунду, входные сопротивления 1—
40 МОм, подавление наведенных
помех не менее 40 дБ), частотомер
Ф205 (50±2 Гц, абсолютная . по­
грешность
измерения
±0,15—
0,05 Гц, быстродействие 0,25—3 из
мерения в секунду), готовится к вы
пуску щитовой измеритель темпера­
туры . Ф206 (класс точности 0,2,
быстродействие 1 измерение в се­
кунду, индикация знака « + » или
«—»), предназначенный для работы
с термометрами сопротивления.
Заводом подготовлены к вы­
пуску транскрипторы типа Ф250 и
дискриминаторы типа П215 и П216.
Транскриптор предназначен для со­
пряжения цифровых измерительных
приборов с цнфропечатающими ма­
шинками типа ЭУМ-23 (ЭУМ-46).
Транскриптор рассчитан на 6 деся­
тичных разрядов информации и
имеет внутреннее буферное устрой­
ство памяти. Он обеспечивает за­
пись номера канала и результатов
измерения со скоростью 6—7 зн/с.
Дискриминаторы
предназначены
для задания уставок и значений
контролируемых величин в цифро­
вом виде. Поле допуска для П215 —
от 0 до ±999, для П216 — от О
д о ' ±9999. Результаты сравнения
высвечиваются на передней панели
надписями
«меньше»,
«норма»,
«больше».
Представляется, что если допол­
нить эту номенклатуру коммутато­
ром цифровых кодов, то возможно
создание САК параллельного дейст­
вия с выводом результатов измере­
ния и контроля в ЭВМ.
Видимо, многоканальные систе­
мы могут оказаться более выгодны­
ми экономически при небольшом
количестве контролируемых вели
чин, особенно если величины разно­
родны по физической природе. Во
всяком случае при проектировании
САК вариант реализации много­
канальной системы должен прини­
маться во внимание.
Для многих практических при­
ложений создаются специализиро­
ванные САК, учитывающие специ­
фику объекта контроля. В качестве
примера таких САК можно при­
вести автоматическое устройство,
предназначенное для контроля и
сортировки по номиналам слюдяных
конденсаторов [Л. 20-1].
20-2. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО
КОНТРОЛЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО
ДЕЙСТВИЯ
В системах последовательного
действия значения поля однородной
контролируемой величины (темпе­
ратуры, освещенности и т. п.) вос­
принимаются последовательно с по­
мощью одного сканирующего дат­
чика (точечного, линейного или пло
скостного) (см. гл 11) Такие си. стемы могут выполняться с проме­
жуточным предварительным преоб­
разованием распределенной в про­
странстве контролируемой величины
в поле вспомогательной величины,
которая затем воспринимается с по­
мощью сканирующего датчика.* Ча­
ще всего такое промежуточное пре­
образование выполняется для кон­
троля линейных размеров деталей
с помощью оптико-электронных уст­
ройств (типа видикоцов). Сущест­
вуют интересные работы, связанные
с преобразованием поля одной ве­
личины во вспомогательную вели­
чину, например, механических на­
пряжений, тепловых и воздушных
потоков — в световые поля, инфра­
красных излучений — в спектр ви­
димых излучений.
Описание нормы в таких систе­
мах задается или в виде допусковых
зон, или в виде уставок для вы­
бранных точек поля преобразован­
ной величины. Нужно заметить, что
частным случаем таких систем яв­
ляются
системы, определяющие
эквипотенциальную поверхность по­
ля величин (одна уставка).
Типичными примерами таких си­
стем являются системы со ^.скани­
рующими датчиками температур и
освещенностей. Пожалуй, наиболь­
шее распространение имеют систе­
мы последовательного действия те­
левизионного типа [Л. 20-7—20-12],
позволяющие производить контроль
и измерение в первую очередь ли­
нейных размеров бесконтактным
способом.
Основными разновидностями те­
левизионных систем являются си­
стемы с время-импульсным преобра­
зованием и с оптической дискрети­
зацией изображения. Применитель­
но к контролю формы и профиля
изделий могут использоваться ме­
тоды сравнения значений контроли­
руемой величины с типовым описа­
нием нормы, с образцовым предме­
том, линиями, разделяющими зоны,
и с использованием метода следя­
щей развертки [Л. 20-8]. Остановим­
ся кратко на особенностях этих ме­
тодов.
Если значения уставок и контро­
лируемых величин сравниваются
в цифровом виде, то необходимо
перед сравнением измерить значе­
ние контролируемых величин.
Рис. 20-3. Схема САК последовательного действия с цифровыми уставками.
В телевизионных контрольно-из­
мерительных время-импульсных си­
стемах измеряемый размер (с уче­
том оптического преобразования)
предмета равен:
l = l ' y - = kti,
3
где V — размер оптической проек­
ции измеряемого предмета на экра­
не оптико-электронного преобразо­
вателя; L — расстояние от преобра­
зователя до объекта контроля; F —
фокусное расстояние; U — длитель­
ность импульса, соответствующая
времени прохождения развертываю­
щим лучом объекта контроля; k —
коэффициент пропорциональности.
В таких системах можно выпол­
нить шкалу измерительной аппара­
туры с искусственным нулем и вы­
делить допустимые отклонения кон­
тролируемой величины от номи­
нального значения. Так выполнены,
например, автоматические приборы
для контроля диаметра тонкой про­
волоки ( 0 20—100 мкм, погреш­
ность до 1,5%, частота одностроч­
ной развертки 5 кГц) [Л. 20-8].
На рис. 20-3 представлена схема
устройства контроля, основанного
на цифровом способе задания уста­
вок. В этом устройстве предусмотре­
на компенсация нелинейности дви­
жения развертывающего телевизи­
онного датчика ТД.
В большинстве изготовленных
устройств такого типа погрешность
измерения и контроля составляет
примерно 1%. Существенного умень­
шения погрешности удается добить­
ся в первую очередь при примене­
нии дифференциального метода
238
измерения — измерения разности
между образцовой величиной, рав­
ной номинальному значению кон­
тролируемой величины, и текущим,
значением контролируемой величи­
ны. Это удается, например, выпол­
нить путем применения оптических
методов типа раздваивающих си­
стем и оптической базы [Л. 20-8].
Другим путем выполнения изме­
рений с применением телевизионного
датчика является введение линейной
меры одновременно с контролируе­
мой величиной или с разделением
его с помощью волоконной оптики
на равномерные участки. Результат
измерения получается путем счета
единичных значений мер, уклады­
вающихся в значение контролируе­
мых величин. При этом устраняют­
ся погрешности из-за нелинейности
движения при сканировании или из­
менения размеров развертки. По
сути дела, при таких измерениях
используется метод совпадения из­
меряемых величин и набора образ­
цовых мер с получением результата
измерения последовательным сче­
том (см. гл. 8). Набор единичных
мер может быть выполнен в виде
штрихов (десятки штрихов на мил­
лиметр), проектируемых на фото­
слой видикона вместе с изображе­
нием контролируемого объекта. Од­
нако в подобного рода телевизион­
ных датчиках не удается полностью
использовать высокую разрешаю­
щую способность штриховых мер
ввиду ограниченных возможностей
получения достаточно высокого от­
ношения полезного сигнала к шуму.
Одна из первых установок, осно­
ванных на этом методе контроля,-
Рис. 20-4. Схема САК последовательного
-действия с раздвоением бегущего луча.
названная П-127 [Л. 20-7], предна­
значена для контроля цилиндриче­
ских тел, не превышающих по диа­
метру 30 мм и по длине 300 мм,
с погрешностью 0,015 мм. В этой
установке применены штриховые
меры (15 линий на сантиметр) и
оптическая часть, раздваивающая
луч кинескопа. Дифференциальный
метод позволяет производить изме­
рение только отклонений диаметра
на ± 2 мм. На каждой детали кон­
тролируется 30 сечений в течение
1 с. На этом же устройстве может
реализоваться контроль по линиям,
разделяющим зоны допусков.
При применении волоконной оп­
тики удается получить относительно
более высокую точность [Л 20 11]
Так, например, на Череповецком
металлургическом заводе при изме
рении длины металлической полосы
нагретой до температуры от 800
до 1100 °С, движущейся со скоростью
до 2,5 м/с, погрешность измерения
не превышала ±0,4% [Л. 20-12].
При массовом контроле изделий
сложной формы используются срав­
нение образцового и контролируе­
мого изделий путем раздвоения
бегущего луча (рис. 20-4) и срав­
нения контуров. контролируемого
изделия и зоны допуска (рис. 20-5):
на экран одновременно проекти­
руются линии, определяющие зо­
Рис. 20-5. К сравнению раз­
меров контролируемого из­
делия с зоной допуска, по­
казанной пунктирными ли­
ниями.
ну допуска, и контур контро­
лируемого изделия. В зависимости
от количества импульсов, получае­
мых при пересечении контура изде­
лия и линий, разделяющих зоны
допусков, можно судить о состоя­
нии контролируемого изделия. Так,
при сканировании по направлению
/ —/ (рис. 20-5) будет получено два
и один импульс, говорящие, что
слева изделие находится в допуске,
а справа — больше допуска («мно­
го»), по направлению II—II вни­
зу — два импульса («норма»), ввер­
ху— три имцульса («мало»).
Вместо линейного сканирующего
луча может быть использована сле­
дящая развертка по контуру кон­
тролируемого изделия [Л. 20-8].
Применение сканирующей разверт­
ки позволяет несколько уменьшить
суммарную погрешность контроля.
Имеются установки, позволяю­
щие контролировать геометрические
размеры изделия с нескольких сто­
рон одновременно.
Телевизионная аппаратура кон­
троля изделий, конечно, имеет спе­
цифическую техническую базу (видиконы, диссекторы, фотоумножи­
тели и др.), которую рассматривать
мы не имеем возможности. Для
более полного знакомства с ней
можно рекомендовать [Л. 20-8, 20-9].
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО
ДЕЙСТВИЯ — МАШИНЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО
КОНТРОЛЯ
21-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Многочисленный класс объектов
контроля составляют объекты, у ко­
торых контролируемые величины яв­
ляются непрерывными функциями
времени и изменяются с конечной
скоростью. Если относительное из­
менение контролируемой величины
ДХ{/Х{ ( 1=1, 2
в течение вре­
мени Т не превышает максимально
допустимого приращения в одной
точке, а для получения результата
контроля в ней необходимо затра­
тить время At, то время Т—A t мо­
жет быть использовано для контро­
ля других величин. Это свойство ре-
W.
1
КК
1
1
Г
ВУ
Г
MI
а)
{'IU
г\ /
/Ъ
-* 0 - -
ВУ
г
{*1
к
{А
К )п„
___
( у*
в)
Рис. 21-1. Структуры МЦК.
а — цифровая МЦК; б — аналого-цифровая МЦК
с согласованной работой каналов контроля и из­
мерения; в — аналого-цифровая МЦК с раздель­
ной работой каналов контроля и измерения;
{л }п ~ контролируемые
величины;
{У}ш п —
уставки (по m уставок на каж дую из л контро­
лируемых величин); КК — канал контроля; ВУ выходное устройство.
о
альных процессов используется при
создании САК параллельно-последо­
вательного действия.
В таких системах канал контро­
ля
используется
многократно,
а сбор информации выполняется
централизованно, поэтому они часто
называются машинами централизо­
ванного контроля (МЦК). Ввиду
относительно небольшого количества
элементов на каждую контролируе­
мую величину и, следовательно, от­
носительно невысокой стоимости
(около 300—600 руб. на контроли­
руемую величину), а также легкости
сочленения с вычислительными ма­
шинами МЦК довольно широко при­
меняются в различных отраслях
промышленнорти. Известно более
100 моделей МЦК, разработанных
за рубежом и в Советском Союзе,
различающихся количеством обслу­
живаемых точек, мётролошческими
характеристиками,
используемой
элементной базой и т. п.
В табл. 21-1 приведены основные
характеристики некоторых машин
централизованного контроля, разра­
ботанных в Советском Союзе.
Машины централизованного кон­
троля выполняют в большинстве слу­
чаев следующие основные функции:
допусковый контроль (2—4 до­
пуска) от 40 до 500 величин;
сигнализацию, измерение и реги­
страцию значений величин, откло­
нившихся от нормы;
периодическое измерение и реги­
страцию значений контролируемых
величин (например, через 10, 20, 30,
60 мин);
измерение контролируемых пара­
метров по вызову оператора;
аварийную сигнализацию;
связь с вычислительными маши­
нами.
16—741
Таблица
21-1
X а ра кт срист ши СЛК
Параметры и блоки
М А РС -200Р
ЭЛРУ-2
200
»Зспит-2“
.3 ен н т -3 “
.Сокол “
М П П И -1
„ П у ск -3 “
56
80
Кратно
40 по ПР,
80 по ЦР
100
128 А,
63 Д,
9 ЧИМ
Кратно 20
Падение на­ Выход ТП
пряжения
на ТС
Выход ТС,
ТП, ДТ, ФД,
ИД до 50 мА
постоянного
тока
Выход ТС,
0—50 мВ
Выход ТС,
0—50 мВ
0—5 мА,
0—ЮВ
постоянного
тока
0—
5 или 0 ,2 ,
1— 5 мА
1 кгс/см2
постоянного
тока
На ЭР,
0,04—0,3
точки/с
Контактный
вращающийся
0,22 точки/с
Контактный
враща ющийся
14 точек/с
На МУК,
20 точек/с,
и на ЭР,
10 точек/с
На ЭР,
5 точек/с
ПТ, 100 точек/с
На ПТ с
ферритовым
выходом
Цифровое
„Амур"
1
Число контролируемых 40, 50, 60,
70, 80
точек
Входные сигналы
Входной
переключа­
тель, скорость обегания
Устройство обнаруже­
ния отклонений
Задание уровней срав­
нения
На ЭР,
3 точки/с
Электронное с ЭР на выходе
Поворотные переклю­
чатели
Аналого-цифровой пре­
образователь
Пространственное кодиро­
вание с ЭМП
ЭР
ЭР
ЭР и ШИ
Световые индикаторы
кл -
КЛ
ТТР
устрой­
Электронный, с поразряд­
ным уравновешиванием
ТТР
ТТР
Печатающая машинка с электрическим управлением
ТТР
пт+м к
поразрядного
уравновеши­
вания
Пневмати­
ческое реле
Пневмати­
ческие задат­
чики
Наборные поля со штепселями
Реостаты
Логические элементы
Печатающее
ство
Усилитель на ТТР
ПТ с поразрядным уравно­
вешиванием j
ПП
Феррит диодное
Элементы
УСЭППА
КЛ
ТТР
—
2М
2, с типовыми
колесами
Продолжение табл. 21-1
5 a йо
с но ак оч
п
=« сз
S
га§с | и
3
£ га н о.
я
Roor
o
°
|s
ЛдЗ о
ills
В
s
с
с
£
<
иJ
QJ 5^ U щ
Q
° *
О3
^О
„
кес
-X
я
иО
й
£ 8= и 2 н
§ . |§ = g | 5 >>
SSg.g.gB-2 Д'
*?•© с а I ою
CD О Е 5 с >*
- ©
°
о я
со
f'is
s=J* I
§
g 5 R
?T=
ra
raT
a. c.
н go н
a
5- У2 S
>>
rs
III I
2аи» S
C
3£r
сp
лJ=
;кч
К•
gвu
u Rs
~
cs
Й-9
s*T
о«SS
с
2§
CD
QJ ^
о 7 н о 5
0,
н
1 0н О- ^д,
сз а, и я Я
C.3J- Я= й
= 33 =г сз я
У ..° £ 2
J 5Ячз 0-2
§ 3£
^ н я н ^
Н гиа к
о оjS*;
• ►о = Ч S
К
соУС
По
= 2.1 I f
goSc
1 2
2з:£Ч1
С srш д—
- аУСГ)Ш
■
£
я
^ H s(D
сз X
о
S
3 3» I \
яо
С
П
** =ra ..
5 5* «r
•а
3*S
аО
<
S
(D
ю
*х со
J3 —I
к
О
X
3
CQ
CU
о
'S >,
В
_- соо
Многие МЦК выдают также сиг
■налы двухпозиционного регулирова­
ния. За 'последние годы разработаны
системы, снабженные вычисли тель­
ными устройствами, которые позво­
ляют производить технико-экономи
ческие расчеты и выдавать советы
оператору по наилучшему проведе­
нию технологических процессов.
К основным узлам МЦК можно
отнести: входные переключатели
сигналов датчиков, канал контроля
КК, содержащий устройства форми
рования описаний норм (уставок)
сравнения значений уставок и конт
ролируемых величин и представле­
ния результатов контроля, АЦП, вы­
ходные устройства ВУ, к которым
относятся регистрирующая, индика­
торная и другая аппаратура
Среди структур, определяющих
взаимодействие каналов контроля и
измерения, можно указать цифро
вые МЦК (рис. 21-1,а), аналогоцифровые МЦК с согласованной
(рис. 21-6) .ираздельной (рис. 21-1,в)
работой каналов контроля и измере­
ния. В МЦК, выполненной по схеме
рис. 21 1,а, входной коммутатор
обычно работает с постоянной ско
ростыо. Время переключения t опре­
деляется суммарным временем -вы­
полнения операций измерения, печа­
ти, получения и представления ре­
зультатов контроля для данного ка­
нала. Обычно полный период конт­
роля всех величин T0Q=nt. Его зна­
чение зависит от быстродействия ис­
пользуемых элементов.
В МЦК, выполненной по схеме
рис. 21-1,6, используются различные
скорости работы коммутатора в ре­
жиме контроля и измерения. Число
измерений по сравнению со струк­
турой рис. 21-1,а в таких МЦК рез­
ко уменьшается, так как средняя ча­
стота поступлений заказов на реги­
страцию значений контролируемых
величин и на периодическую регист­
рацию существенно меньше частоты
работы коммутатора. Схема такой
МЦК несколько сложнее по сравне­
нию с предыдущей, так как в «ей
необходимо обеспечить управление
изменением скорости работы комму­
татора при контроле и измерении.
В МЦК, выполненной по струк­
турной схеме рис. 21-1,в, работа
коммутаторов может быть согласо­
ванной или несогласованной. В нер­
вом случае при работе коммутатора
канала контроля коммутатор изме­
рения может находиться в состоя­
нии при котором ни одна контроли­
руемая величина не подключена ко
входу АЦП Лишь после заказа на
регистрацию со стороны канала кон­
троля подключается необходимая
контролируемая величина. Время
измерения может быть рассчитано
таким образом, чтобы оно не превы­
шало суммарного времени прохож­
дения коммутатором контроля ос­
тальных контролируемых величин.
При этом исключается шунтирова­
ние измерительной цепи со стороны
канала контроля. Во втором случае
коммутаторы могут работать неза­
висимо и с различными скоростями.
Обычно коммутатор канала контро­
ля может действовать со скоростью,
существенно превышающей скорость
работы коммутатора канала измере­
ния. Локальное специализированное
вычислительное устройство системы
целесообразно размещать на выходе
канала измерения.
Ограничимся в дальнейшем рас­
смотрением нескольких типов МЦК,
выполненных по различным струк­
турным схемам и различающихся
элементной базой.
21-2. О П И С А Н И Я СТРУКТУРНЫХ СХЕМ
МАШИН ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО
КОНТРОЛЯ
Весьма ло-дробные описания МЦК ти­
пов МАРС-УЬ, «Зенит», «Сокол» и других
(имеются в {Л- 21-11—21-3]. Здесь этот ма­
териал необходим для иллюстрации приме­
няемых технических средств и способов по­
строения машин централизованного конт­
роля.
•а ) Машина МАРС-УБ
Машина была предназначена для цент­
рализованного контроля и управления про­
изводственными процессами <в энергетиче16*
ской, металлургической, химической, нефте­
перерабатывающей, пищевой и других от­
раслях промышленности.
Отличительной особенностью машины
является то, что она предназначалась для
работы с датчиками, имеющими как унифи­
цированный, так и неунифицированный вы­
ходной сигнал. Структурная схема машины
соответствует схеме рис. 21-II,а, т. е. маши­
на МАРС-УБ — цифровая МЦК.
МАРС-УБ -(рис. 21-2) содержит сле­
дующие основные блоки: генератор кодо­
вых импульсов, 4eTbipexKOHTaKtHbift релей­
ный коммутатор (/Ci—КО, управляемый
от счетчика номера датчика, канал автома­
тического измерения, канал линеаризации*
характеристик датчиков, канал контроля,,
блок индикации и регистрации, а также
блок измерений по-вызову.
Генератор кодовых импульсов выполненв виде барабана, приводимого во вращение
синхронным двигателем СД. На поверхно­
сти барабана .размещены металлические
ленты с зачерненными поперечными поло­
сами.
Количество лент определяется числом
типов нелинейностей датчиков. Имеется не­
сколько лент с линейным расположением'
полос. Период развертки и время подклю­
чения одного датчика определяются одним
оборотом барабана.
Б канале измерения и линеаризация
имеются преобразователи масштабов (ум­
ножители частоты), коэффициент преобра­
зования которых устанавливается с по­
мощью устройства переключения диапазо­
нов Яд.
Цифро-аналоговый преобразователь ко­
да, записанного в счетчике Счи выполнен
по схеме суммирования калиброванных
токов.
В момент равенства Ux и ступенчатонарастающего линейного компенсационного'
напряжения UK устройство сравнения (на
полупроводниковых приборах с электрон­
ным модулятором) прекращает с помощью*
ключа В поступление импульсов из канала
линеаризации (с учетом нелинейности ха­
рактеристик датчиков) в счетчик Сч2. Не­
линейные генераторы импульсов включают­
ся в канал линеаризации с помощью про­
граммирующего устройства Я л. После де­
шифратора результат измерения может по­
ступать на регистрацию (отклонений О ю
периодическую Я), на цифровое индикатор­
ное устройство и в канал контроля. В ка­
нале контроля производится сравнение циф­
ровых уставок (четыре уставки на каждую
точку, от 0 до 999) и значений контролируе­
мых величин. Результаты контроля -распре­
деляются с помощью диодного матрич­
ного коммутатора Къ на сигнализаторы и
устройства
двухпозиционного регулиро­
вания.
На рис. 21-2 не показаны устройства
самоконтроля и счетчик числа отклонении.
243
Рис. 21-2. Структурная схема МЦК МАРС-УБ.
X — зн а ч ен и е и зм ер я ем о й величины ; N — ее поря дк овы й ном ер; Т — вр
Основные характеристики
М А P C -У Б
'Основная погрешность цифро­
вой регистрации и сигнализа­
ции %:
i
; ..
для сигналов постоянного
тока.......................
До 0,5
для сигналов переменного
тока . . ' ...........................
1
Динамический диапазон вход­
ных сигналов:
постоянного тока, мВ
0—100
переменного тока, В
. . От 0,5 до 1,2
Количество датчиков .
. .
100
Скорость измерения и контро­
ля, точек/с . . .
. . .
. 5—10
Время регистрации одной вели­
чины, с:
на карте отклонений . . . 3,6—1,8
на карге периодической ре­
гистрации .......................
1,4—0,7
Цифровой выход, единиц . . .
0—39999
Токовый выход для регулирова­
ния .......................................... 24 В; 0,4 А
Интервал периодической реги­
страции, м и н ....................... 10, 20, 30, 60
Количество уставок на каж
дую точку .......................
До четырех
Диапазон изменения уставок
0—999
Габариты, мм:
распределительного пульта 950X1 830Х
Х690
устройства регистрации . . 2 (950Х925Х
Х600)
(Машина МАРС-УБ была разработана
Специальным конструкторским бюро био­
физической аппаратуры и электронных ма­
шин (г. Москва).
б) Машины «Зенит-1» и «Зенит-2»
Машины типов «Зенит-11» и «Зенит-2»
серийно выпускались с 1962 г. -в течение
нескольких лет Опытным заводом средств
контроля и автоматизации в Ленинграде.
Машины «Зенит-1» и '«Зенит-2» имеют
примерно одинаковую структурную схему
(рис. 2И-3) и различаются количеством
обслуживаемых датчиков (40 и 80). Маши­
ны предназначены для работы с термопа­
рами, термометрами сопротивление и дру­
гими датчиками сопротивления.
В блоке унификации размещаются мо­
стовые цепи для компенсации температуры
холодного спая термопар (см. § I19-U),
устройства питания и мостовые цепи для
термометров сопротивления.
Сигналы от измерительных цепей с дат­
чиками поступают в каналы контроля, из­
мерения и измерения по вызову.
(В канале контроля используется ламельный коммутатор /, состоящий из четы­
рех полей, каждое из которых заключено
в отдельный стакан и погружено в крем-
нийорганическую жидкость. Ламели ком­
мутатора — золоченые, щетки выполнены
из платиновой проволоки, прижимающейся
к ламелям с силой 5 гс. Щетки приводятся
в движение электродвигателем СД. На ва­
лу этого двигателя расположен генератор
импульсов ((источник света, алюминиевые
диски с прорезями, фотосопротивления),
используемый для управления коммутато­
рами II, IV. В канале контроля исполь­
зуется способ задания уставок через номи­
нальное значение величины UНОм, верхнего
и нижнего допусков AUB, AUB, отсчитывае­
мых от Uном. Уставки задаются при помо­
щи штекеров наборного поля.,
Разность Ux—Uном усиливается с по­
мощью усилителя с глубокой отрицательной
связью и затем поступает на устройства
сравнения номинального значения верхней
и нижней уставок. Сигналы от устройства
сравнения номинального значения со значе­
нием контролируемого параметра использу­
ются для позиционного регулирования (ре­
ле РМУГ) и для сигнализации. В случае
выхода контролируемых величин за зону
допуска включается звуковой сигнал ЗС и
через устройство управления УУ заказ
на измерение значений контролируемых
величин, отклонившихся от нормального
состояния.
Капал измерения подключается с по­
мощью коммутатора II, выполненного на
реле типа РМУГ (паразитные э. д. с.
3—5 мкВ, число срабатываний порядка
НО5). В канале измерения сигнал от датчи­
ков линеаризируется с помощью .усилителя
с нелинейной обратной связью (диодная
цепочка),
масштабируется,
измеряется.
Цифровое значение контролируемой вели­
чины выводится на визуальную индикацию
и , на цифровые печатающие, машинки типа
«Рейнметалл». Аналого-цифровой преобра­
зователь выполнен по методу поразрядного
уравновешивания.
В схеме предусмотрена синхронизация
работы коммутаторов / и II (рис. 2Ы1,в)
•с тем, чтобы датчики не подключались од­
новременно к каналам контроля/и измере­
ния. Скорость работы коммутатора I около
10 точек/c, следовательно, на измерение
и регистрацию одной величны может быть
затрачено примерно 4 с.
Канал измерений по вызову состоит из
ручного коммутатора III и автоматического
потенциометра с четырьмя сменными шка­
лами.
Для создания усилителей, устройств
сравнения, сигнализации, АЦП иопользойаны безнакальные тиратроны (типа МТХ-90
И д р .).
Основная погрешность измерения и сиг­
нализации ±0,5%, периодическая регистра­
ция через 40, 20, 30 и '60 мин.
Комплект 1МЦК состоит из приборного
шкафа с аппаратурой, панели контроля и
управления, столов с пишущими машинка-
ми, срединительного ящика для -ввода
контролируемых параметров. Габариты при­
борного шкафа—11650 X »1'650 X 500 мм.
в) Машина «Сокол»
•Машина -централизованного контроля
«Сокол» <(рис. 21-4) выполнена -по струк­
турной схеме с .раздельными каналами
контроля и измерения (рис. 21-1,в). Маши­
на предназначена для -работы с унифици­
рованными' сигналами (0—5 мА, 0—10 В
постоянного тока) от 98 датчиков. Инди­
видуальные унифицирующие преобразовате­
ли содержат -устройства масштабирования,
линеаризации и низкочастотные фильтры.
Канал контроля содержит входной релейный коммутатор (реле типа РКМ с во­
семью контактными парами, из которых че­
тыре попользуются для переключения конт­
ролируемых величия), имеющей скорость
переключения 5 точек/с. Штекерное набор­
ное поле уставок позволяет задать уставки
номинального значения (через .1%), верх­
него допуска (+110% номинального через
2%), нижнего допуска (—Й0% . номиналь­
ного значения через 2%). Результаты
сравнения поступают в устройство форми­
рования сигналов двухпозиционного регулирования (по сравнению с номинальным
значением) и отклонения от нормы (по
сравнению с верхним и нижним допуска­
ми). Эти сигналы через контакты коммута-
/* /— /- 5 — ком м утаторы ;
^
бл ок и
уп р ав л ен и я : / — ф ор м и р ов ан и ем си гн а ло в на у п р а в л е н и е о б ъ ек т о м и си гн а л и за ц и ю ; 2 — оп р о со м ; 3 — а эт о м а ти ч еск и м
на и зм ер ен и е; 4 — ручным вы зовом на и зм ер ен и е; 5 — реги стр а ц и ей ; 6 — уст а н о в к о й н ул ей.
вы зовом
тора 1-3 и 1-4 подаются в устройства па­
мяти (на реле типа М’КУ) и затем на
устройства регулирования и сигнализации.
При выходе значения контролируемой ве­
личины за верхнюю или нижнюю уставку
результат контроля с помощью, устройства
опроса 2 сравнивается с предыдущим ре­
зультатом контроля и если состояние конт­
ролируемой величины изменилось, то через
коммутатор 1-5 проходит сигнал запроса
на измерение и регистрацию значения от­
клонившейся величины. Этот сигнал запо­
минается в устройстве оперативной памяти
и передается в устройство управления ре­
гистрации 5.
Коммутатор канала измерения предна­
значен для подключения контролируемых
сигналов и наборного поля уставки нуля
сигналов датчиков к АЦП. Режимы работы
коммутатора II — непрерывный, однократ­
ный и одиночного измерения, скорость ра­
боты — точка за 2 с.
Для того чтобы одновременно один и
тот же датчик не был подключен к кана­
лу измерения и контроля, в устройстве
управления коммутатором / имеется бло­
кировка (от коммутатора II).
Аналого-цифровой преобразователь по­
разрядного уравновешивания выполнен на
полупроводниковых элементах, в нем ис­
пользуются магнитсуправляемые контакты.
Кодоимпульсный сигнал от АЦП может
передаваться в вычислительную машину
либо на перфоратор.
При выполнении измерения разрывает­
ся цепь подачи сигналов в блок запоми­
нающих устройств сигнализации.
Основная погрешность канала контроля
0,3%, измерения — 0,5%. Среднее время
наработки на отказ превышает 200 ч.
Машина «Сокол» выпускается серийно
заводом «Энергоприбор» с 1967 г. [Л. 21-5].
21-3. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО
КОНТРОЛЯ С ОБЩЕЙ ОБРАЗЦОВОЙ
ВЕЛИЧИНОЙ
В САК с общей образцовой величиной
структурная схема при контроле п величин
содержит п датчиков, п устройств сравне­
ния и устройств формирования описаний
норм и общую образцовую меру. Такая
структурная схема является развитием
'мультиплицированных ИС (см. гл. 13).
Напомним, что такие системы, сохра­
няя во многом достоинства систем с па­
раллельными каналами измерения и конт­
роля, имеют несколько меньшее количество
элементов, составляющих систему
Перейдем к рассмотрению некоторых
из таких систем.
а) Система «Центротехннка-3»
Система «Центротехннка-3» [Л. 21ч1]
представляет комплекс машин и связей
между ними, обеспечивающий сбор, распре­
деление, первичную обработку и использо-
кабель
Рис. 21-5. Схема связи центра за­
вода с центрами цехов в МЦК
«Центротехника-3».
ванне информации на крупных промышлен
ных предприятиях. Система «Центротехни
ка-3» была разработана в МЭИ под руко­
водством проф. Ф. Е. Темникова. Созданию
этой системы предшествовали теоретические
и экспериментальные исследования принци
па циркуляции кодов, сопоставление раз
личных вариантов организации линий свя
зи между элементами комплекса, вариантов
технической реализации отдельных блоков
и системы в целом (Л. 21-7, 21-8].
Система состоит из центра завода ЦЗ
и соединенных с ним кодовой сетью пяти
центров цеха ЦЦ\—ЦЦъ (рис. 21-5).
На рис. 21-6 показана структурная схем‘а центра завода и одного центра цеха.
Центры цеха связаны с центром завода
магистральным 20-парным телефонным ка
белем. Из центрального узла разверток
ЦУР по шести жилам этого кабеля пода
юте я напряжения, соответствующие комби
нациям пятиразрядного двоичного кода,
образующим последовательно во времени
числа от 0 до 31 единицы. На каждом цент­
ре цеха имеется преобразователь кода в на
пряжение, на выходе которого образуется
ступенчатое компенсационное напряжение
Un. Центр цеха позволяет измерять и копт
ролировать до 100 величин. Каждая из этих
величин воспринимается с помощью датчи
ков, проходит преобразование в напряже­
ние постоянного тока U, затем для каждой
величины вводится номинальное значение
Uпом, которое вычитается из текущего зна
чения. Разность U—Uпом поступает на
устройство сравнения, которое определяет
знак этой разности. Импульсы, соответ­
ствующие этим знакам, поступают в цент­
ральную контрольно-измерительную машину
ЦКИМ, центральное запоминающее устрой­
ство ЦЗУ и цифровую вычислительную ма­
шину ЦВМ центра завода.
В зависимости от знака разности
U— Unou формируется нарастающее или
убывающее ступенчатое компенсационное
напряжение UKt сравниваемое со значением
U—Uпом- В момент 'равенства этих значе­
ний устройство сравнения выдает импульс
О, передаваемый в цех завода Время выда
чи этого импульса соответствует определен­
ной кодовой комбинации, *генерируемой
ЦУР в данный момент. По ней и^ номч
налыюму значению величины в ЦЗ onpejделяется текущее значение контролируемой
величины. В ЦКИМ имеется возможность
с помощью простейших элементов И, на
вход которых поступают сигналы (0), (вы­
брав в двоичном коде допуск, управлять
сигнализацией состояния контролируемой
величины. В центре цеха имеется также
возможность получения результатов изме­
рения и контроля каждой .величины.
Сигналы «много» или «мало» от устрой­
ства сравнения центра цеха 'Используются
также для управления двухпозиционными
регуляторами. В системе предусмотрена
возможность корректировки настройки этих
регуляторов от ЦВМ.
Управление работой коммутаторов це­
ховых устройств производится синхронно
от центрального устройства разверток по
десятичному каналу (10, 1). Преобразова­
ние десятичного кода в код управления
коммутатором осуществляется с помощью
матричного дешифратора.
Таким образом, в системе «Центротехника-3» используется комбинированный спо­
соб одновременного выполнения операций
контроля и измерения для одной величины
каждого из цеховых центров и последова­
тельного выполнения этих операций для
остальных точек. При 500 контролируемых
величинах '(при пяти центрах цеха) полный
цикл измерения и контроля будет выпол­
нен за <100 циклов подачи двоичных ком­
бинаций.
Время одного цикла измерения и конт­
роля '(пять параметров одновременно) со­
ставляет 6 с. Общее время измерения и
контроля 500 величин — ,10 мин.
Блочность системы позволяет маневри­
ровать количеством цеховых центров и
контролируемых Величин. -Поскольку по
каналам связи центров цехов и центра .за­
вода передаются сигналы, амплитуда кото­
рых может изменяться в широких преде­
лах, расстояние между цехами может до­
стигать десятков километров.
Производится измерение разности меж­
ду значениями контролируемых величин и
их номинальными значениями в пределах
±32 единицы. Минимальное значение де­
ления шкалы 70—-100 мкВ.
В качестве датчиков могут использо­
ваться термопары и термометры сопротив­
ления стандартной градуировки, реостатные
датчики с внутренним сопротивлением не
более 1 кОм, дифференциально-трансфор­
маторные датчики, датчики с унифициро­
ванным токовым сигналом, пневматические
датчики давления.
•Наличие ЭВМ в системе позволяет вы­
полнять статистическую обработку резуль:
татов измерения, вычисление технико-эко­
номических показателей, вычислять данные
для настройки локальных регуляторов
и т. п. В остальном система выполняет
обычные функции машин централизованного
контроля.
В (Л. 21-9] были приведены результаты
•предварительных испытаний образца систе­
мы в промышленных условиях на установке
для изготовления хлорвинила. В результате
этих испытаний было выявлено, что прин­
цип циркулирующих разверток может быть
применен в производственных условиях.
Особенно полезно использование для пере­
дачи кодов электрических сетей и телефон­
ных кабелей. Было признано разумным си­
стему централизованного контроля исполь­
зовать одновременно с имеющейся системой
контроля параллельного действия, состоя­
щей из параллельно работающих простей­
ших контрольно-измерительных приборов.
Блочно-агрегатный принцип построения си­
стемы был признан наиболее выгодным.
Для сигналов низкого уровня при невысо­
ком быстродействии системы было призна­
но нецелесообразным применение нормали­
зующих элементов. В настоящее время про­
водится разработка двух новых модифика­
ций машины.
б) Система автоматического контроля
с переменными уставками
В большинстве САК оператор имеет
возможность наблюдать одновременно за
состоянием контролируемых величин по ре­
зультатам допускового контроля, отражае­
мым на панели сигнализации или мнемосхе­
ме производства. Однако такое «сжатое»
представление о состоянии контролируемых,
величин дает мало возможности судить
о степени его близости к нормированному
состоянию. Для прогнозирования последую­
щего состояния объекта или принятия ре­
шения по управлению оператор вынужден
Попользовать результаты измерений (выпол­
няемых периодически, по вызову или при
отклонении величин от нормального состоя­
ния). Несмотря на меры, принимаемые
в МЦК для облегчения обзора результатов
измерения, оператор должен затрачивать до­
вольно много времени нэ восприятие ре­
зультатов измерения значений контролируе­
мых величин.
В Институте проблем управления проф.
Д. И. Агейкиным, Н. Н. Кузнецовой и
Д. Т. Кноновым были предложены системы
контроля, названные системами спорадиче­
ского контроля, предназначенные для объ­
ектов непрерывного действия, в которых
контролируемые величины имеют зоны донусковых. значений [Л. 21-:10]. В таких си­
стемах предлагается использование устрой­
ства сигнализации для более детальногоизучения текущего состояния объекта конт­
роля путем изменения значении уставок;
контролируемая величина или уставка но­
минального значения смещается при вве­
дении внешнего запрашивающего воздей­
ствия. В последнем случае происходит как
бы перемещение значения контролируемых
величин относительно зоны допустимых зна­
чений.
Если оператор знает, какое запраши­
вающее воздействие им подано в систему»
то он может с помощью сигнализаторов,
оценить значение каждой контролируемой
величины. В принципе, изменяя запраши­
вающие воздействия но определенным за­
конам, можно реализовать методы развер­
тывающего и поразрядного уравновешива­
ния 1(см. гл. 8). Более важной является
возможность, изменяя запрашивающее воз­
действие на все контролируемые величины,
имитировать, например, аварийную ситуа­
цию и оценить степень близости к ней со­
стояния объекта контроля одновременно по
всем величинам. Техническая реализация
таких систем может быть различной. Повидимому, дополнительными устройствами,
обеспечивающими режимы переменных за­
прашивающих воздействий, могут быть
снабжены все МЦК.
Б большинстве случаев нет необходи­
мости изменять запрашивающее воздействие
в широких пределах. В частности, возмож­
но его изменение в пределах от номиналь­
ного значения параметра до его аварий­
ного значения. В этом случае можно про­
градуировать запрашивающее воздействие
в процентах от разности между аварийным
и номинальным значениями величины.
На рис. 2*1-7 представлен один из воз­
можных вариантов цифровой САК с АЦП,
работающим в режиме сравнения значе-
Рис. 21-7. Вариант цифровой САК с аналоговым внешним воздействием.
пий цифровых уставок и контролируемых
величин |(см. § 22-2) Цепи прохождения
информации в режиме цифровых измерений
показаны на рис. 21-7 пунктирными линия­
ми, а сплошными— при режиме контроля.
В устройстве F производятся запоминание,
логическая обработка результатов сравне­
ния и выработка сигналов управления ра­
ботой сигнального табло. В этой схеме не
предусмотрено решение вопросов масштаби­
рования запрашивающего воздействия для
различных контролируемых величин.
В (Л. 21-10] для применения в таких
системах предлагается использование пре­
образователей
спорадического контроля
(ИСК) (рис. 21 -8), которые содержат пре­
образователи 1 и 2 значений контролируе­
мого параметра х и запрашивающего воз­
действия ^ в однородную с уставкой уо
величину Если «выходной сигнал от датчи­
ков является постоянным напряжением, то
ПСК может состоять из устройства сравне­
ния, на которое кроме напряжения, экви­
валентного контролируемой величине, пода­
ются напряжения уставки и запрашиваю­
щего воздействия.
Были разработаны два типа ПСК. Пер
Рис. 21-3. Преобразователь спорадиче­
ского контроля.
вый из них построен на базе датчиков с си­
ловой компенсацией. В нем входной величи­
ной является сила, уставка задается пру­
жиной, токовое запрашивающее воздействие
преобразуется в силу магнитоэлектрическим
устройством, устройство сравнения — кон­
тактная пара.
Второй — магнитомодуляционный пре­
образователь с перемещением магнитного
сердечника в пределах от 0 до 0,5 мм.
В нем происходит сравнение магнитных по­
токов, создающихся при перемещении сер­
дечника и при изменении тока запраши­
вающего воздействия, протекающего через
специальную обмотку. Устройством сравне­
ния служит магнитный усилитель с иодмагничиванием. Погрешность сигнализации из­
готовленных датчиков составляет ±0,6%
(± 3 мкм) и погрешность измерения ±11%
(± 5 мкм). Преобразователь имеет малые
габариты.
С истемы кон тр ол я
с исп ол ьзован и ем
П С К п о су щ ест в у являю тся си стем ам и п а ­
рал лельн ого д ей ст в и я с пер ем ен н ой о б р а з ­
ц ов ой величиной.
На рис. 21-9 показана простейшая си­
стема с параллельным включением ПСК,
Рис. 21-9. Система автоматического кон­
троля параллельного действия с преобра­
зователями спорадического контроля.
Рис. 21-10. Система1 автоматического контроля параллельно-последовательного
с преобразователями спорадического контроля.
а на рис. 21-.10 — система с временным
разделением каналов и с цифровым изме­
рением. Соотношение частот f и f/n таково,
что на каждой ступени компенсационного
напряжения происходит «опрос» всех ПС'К.
При появлении сигнала на выходе ПСК от­
крывается соответствующий ключ и число
из счетчика переписывается в ячейку па­
мяти и отображается на цифровом индика­
торе. В момент цифрового измерения за­
прашивающее воздействие должно быть
равно нулю.
ГЛАВА
действия
В этой системе существенно облегченытребования к коммутаторам и к линиям
связи, что позволяет использовать такие
системы при относительно больших расстоя­
ниях от объекта контроля.
Выполненный по этой схеме вариант
системы имел время измерения значений
32 величин порядка 0,2 с.
Пока еще нет промышленных систем
спорадического контроля, но можно пред­
полагать, что они в ближайшее время по­
явятся.
ДВАДЦАТЬ
ВТОРАЯ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УПРАВЛЯЮЩИХ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН
ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
22-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
С 60-х гг. <в промышленности на­
чали применяться для релей контро­
ля и управления производством уп­
равляющие вычислительные маши­
ны (УВМ) {Л. 22-1]. Эти машины
в отличие от универсальных ЭВМ
содержат устройства связи с объек­
том, в которые входят измеритель­
ные оистемы и исполнительные уст­
ройства управления объектом. При
автоматизации технологических про.
цессов они зачастую работают в ре­
альном масштабе времени, позвоЛя­
ют принимать решения <пр управле­
нию в ритме производства. В по­
следние годы наметилась тенденция
объединения функций управления
технологическими процессами с уп­
равлением
всем
производством
в рамках автоматизированных си­
стем управления на базе использо­
вания универсальных ВМ [Л. 22-2].
Тогда ввод информации о состоянии
объектов управления в универсаль­
ные ВМ может выполняться с по­
мощью тех или иных разновидно­
стей ИИС (которые могут содер­
жать локальные устройства обработ­
ки информации) либо с помощью
УВМ. Кстати, нужно заметить, что
в автоматизированных системах уп­
равления на управление и планиро­
вание производством обычно тратит­
ся не более 10% рабочего времени
универсальных ВМ (по данным
США [Л. 22Л]).
Интересно отметить, что стои­
мость управляющих вычислитель­
ных машин в общей стоимости элек­
тронной аппаратуры для управления
промышленным производством не
является определяющей. По данным,
приведенным в [Л. 22-1], в США вы­
пущено в 1970 г. УВМ на сумму
185 млн. долл, и предполагается вы­
пуск в 1975 г. на сумму 380 млн. долл.,
что составляет соответственно 16,1%
и 22%'общей стоимости аппаратуры.
В то же время устройств сбора ин­
формации (датчики, измерительная
аппаратура и т. п.) выпущено
в 1970 г. На сумму 490 млн. долл.
(42,7%), а в 1975 г. предпола­
гается выпуск на 680 млн. долл.
(39%).
В Советском Союзе выпускают­
ся несколько УВМ [Л. 22-1], на опи­
сании которых кратко остановимся,
обратив внимание на устройства
связи с объектом.
Нужно Заметить, что, к сожале­
нию, в настоящей книге невозможно
рассмотреть важный для примене­
ния управляющих ЭВМ вопрос ма­
тематического обеспечения их рабо­
ты. По этому вопросу рекомендуем
обратиться к [Л. 22-17].
22-2. ИНФОРМАЦИОННО­
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАШИНА ИВ-500
Информационно-вычислительная маши­
на ИВ-600 (Л. 22-3] основана на цифровом
принципе действия и по своим 'возможно­
стям выделяется среди многих систем авто­
матического контроля. ИВ-500 серийно вы­
пускается Ленинградским электромеханиче­
ским заводом с 1967 г. Приблизительная
стоимость аппаратуры на один контроли­
руемый параметр около 600^ руб.
!ИВ-500 обеспечивает:
сбор, первичную обработку информа­
ции от датчиков и выдачу результатов из­
мерения как по заранее установленной про­
грамме, так и по запросу;
•программный и по запросу контроль.
параметров со световой сигнализацией;
вычисление технико-экономических по­
казателей;
позиционное регулирование;
регистрацию значений параметров, от­
клонившихся от нормы;
автоматический контроль и сигнализа­
цию неисправностей основных блоков ма­
шины и линий связи.
Структурная схема ИВ-500 представле­
на на рнс. 22-1. Датчики, подсоединяемые
к ИВ-500, объединяются в группы по 40.
Наибольшее количество групп— 12 (следо­
вательно, максимальное количество датчи­
ков—460). Могут использоваться термопары*
и термометры сопротивления, источники
э. д. с. постоянного тока 0—50 мВ с'внут­
ренним сопротивлением не более 300 Ом,
датчики с унифицированным выходом
(0—10, —40—0—10 В; 0—5, —5—0 - £ мА),
дифференциально-трансформаторные датчи­
ки и другие датчики переменного тока
50 Гц с выходным сигналом 0—1,0 В и бо­
лее (с внутренним сопртивлением не более
300 Ом) и 0—5 мА.
В устройствах коммутации УКо\—УК\2
размещены клеммные колодки для подклю­
чения датчиков, мосты температурной ком­
пенсации термопар, собственно коммутатор*
устройства, обеспечивающие получение вы­
ходных сигналов постоянного тока от дат­
чиков сопротивления, питание дифферен­
циально-трансформаторных датчиков, тем­
пературную компенсацию и компенсации*
изменения
напряжения.
Конструктивно
в устройстве коммутации размещен и мно­
гопредельный показывающий прибор типа
ПЛМ4-01 (±0,5%), представляющий собой
автоматический потенциометр с десятью•шкалами, сменяющимися полуавтоматиче­
ски; его входное сопротивление более
100 кОм, время прохождения шкалы 8 с.
•Устройство коммутации выполнено на
реле с магнитоуправляемыми контактами
в пылебрызгозащищенном корпусе, имеет
скорость коммутации 5—'10 переключений
в секунду и предназначено для установки
непосредственно у объекта контроля.
Групповые жунифицирующие '(нормали­
зующие) элементы y # i—УЯJ2 комплекту-
Рис. 22-1. Структурная схема информационно-вычислнтелыюи машины ИЙ-500.
ются устройствами для унификации сигна­
лов 'постоянного тока БН-'l и 'переменного
тока БН-2. Быстродействие этих элементов
относительно высокое '(время, необходимое
для унификации, порядка '120 мс). Основ­
ная погрешность унифицирующих элементов
0,5%. Унифицированные сигналы: —5—0—
5 мА и —'1—0—ilO В постоянного тока:
Аналоговые унифицированные сигналы
от всех групп додаются на групповой ком­
мутатор /Сь выполненный на* .полупровод­
никовых транзисторных ключах. Скорость
переключения
группового
коммутатора
(60—И20 переключении в секунду) и управ­
ление его работой обеспечивает последова­
тельное 'подключение к АЦП за один такт
коммутации первой ступени 12 одноименных
датчиков Следовательно, суммарное время
измерения «и контроля 480 датчиков опре­
деляется скоростью работы УК и состав­
ляет 8 или 4 с.
Аналого-цифровой преобразователь по­
разрядного уравновешивания используется
для измерения и для сравнения цифровых
уставок со значениями контролируемых па­
раметров. (Время работы АЦП примерно
наполовину занято операциями контроля.
Следовательно, быстродействие АЦП долж­
но быть не менее 200 измерений в секунду.)
В последнем случае цифровое значение
уставок преобразуется в аналоговую вели­
чину, однородную со входной величиной.
Устройство сравнения АЦП служит для
определения знака разности значений устав­
ки и контролируемой величины. Устройство
сравнения СС используется для блокировки
АЦП, предотвращающей неоднозначность
результата контроля при значении контро­
лируемой величины близком к значению
уставки. Кроме того, это устройство слу­
жит для контроля правильности работы
схемы. Для этой цели при измерении
сравниваются код с выходного регистра
АЦП и обратный код, поступающий после
выходного коммутатора /С2Для каждого контролируемого пара­
метра можно установить по четыре уставки
(две «мало — много» предупредительной и
две «мало — много» аварийной сигнализа­
ции). Уставки регулирования устанавлива­
ются вместо уставок аварийной сигнализа­
ции. .
Задание уставок осуществляется маг­
нитными стержнями (постоянными магни­
тами) в коде 2—'4—2—1 в истинном мас­
штабе. На панели убтавок, кроме того, за­
дается положение запятой шкалы преобра­
зования (в АЦП может изменяться число
управляемых разрядов цифро-аналогового
преобразователя)
Результаты контроля через коммутатор
/Сл передаются к устройствам сигнализации
УС]—УС12, конструктивно объединенным
с устройствами нормализации УНi—УН 12.
Устройства сигнализации содержат релей­
ные (на поляризованных реле типа РПС-20)
устройства памяти (действующие в течение
полного цикла измерения и- контроля),,
местное табло сигнализации СТ и устрой­
ства выдачи сигналов на регуляторы БВР.
Цифровые значения контролируемых,
величин подаются для дальнейшей обработ­
ки в вычислительное устройство ВУ и*
в устройства регистрации через блок вводам
и вывода информации' ВВ. Оператор имеет
возможность подключить вручную автома­
тические самописцы МСМ2 (ширина ленты
100 мм, погрешность ±11%).
На центральном информационном пуль­
те оператора МП имеются групповые ин­
дикаторы аварийной (непрерывный сигнал)
и предупредительной (прерывистый сигнал)
сигнализации,
адресные
переключатели,,
контроль уставок и параметров, вызов на
регистрацию по адресу, управление общим
вызовом на регистрацию, контроль исправ­
ности основных блоков машины КИ и др.
Локальное вычислительное устройство,
имеет способ представления чисел с фик­
сированной запятой, 22 двоичных разряда
(числовых >19), одноадресную систему ко­
манд (28 команд), скорость ввода и вывода,
информации 200 и 25 четырехразрядных чи­
сел в секунду, быстродействие порядка
'1 500 операций/с, емкость блока оператив­
ной памяти — 256 22-разрядных слов, бло­
ка постоянной памяти—1 024 18-разрядных.
слов.
Кроме отмеченных выше, целесообразно'
привести
следующие
характеристикиИВ-500:
Цикл опроса всех точек (че­
рез 5 с), с ..........................
От 5 до 60
Скорость периодической реги­
страции
(при двух печатающих уст­
ройствах), точек/с . .
2
Цикличность периодической ре­
гистрации
(имеется также однократ­
ная или непрерывная ре­
гистрация), мин . .
30, 60, 120'
Скорость регистрации отклоне­
ний, точек/с.......................
2,5
Основная погрешность измере­
ния и контроля:
для датчиков постоянного
тока, % .
. . . .
+ 0,6
для датчиков переменного
тока, %
.
. . .
+ 2 ,5
Допускается установка У Н на расстоянии
до 100—200 м от УКМашина ИВ-500 может быть включе­
на в более крупную иерархическую систему
управления, содержащую универсальнуюВ1М.
В (Л. 22-4] приведены результаты ис­
следования надежности устройств и выпол­
нения функций машины ИВ-500 в условиях
ее эксплуатации на блоке котел— турбина
мощностью 300 МВт. 'Период приработки
для головных машин составил 4 450 ч, а
установившийся период — 7 850 ч; среднее-
время восстановления исправной работы
■после отказа составляет 2 ч.
Нужно заметить, что наибольшее ч и с­
ло отказов было вызвано неисправностями
релейных и контактных устройств, а т а к ж е
устройств регистрации. Интенсивность о т ­
казов из-за этих неисправностей с о ст а в л я л а
от 3 -10~4 до 2 0 * 1 0-4 1/ч. Она уменьшилась
в 2 — 4 раза в установившийся период по
сравнению с периодом приработки.
Продолжительность наработки .на один
отказ при выполнении ИВ-500 функций
контроля и сигнализации составляла при­
мерно 1 000 ч, при периодической регистра­
ции значений контролируемых параметров
и регистрации отклонений этих параметров
от нормальных значений — около 350 ч.
22-3. У П Р А В Л Я Ю Щ И Е
В Ы Ч И С Л И Т Е Л Ь Н Ы Е МАШИНЫ
а) У В М « Д н е п р »
Управляющая вычислительная машина
«Днепр» состоит из трех конструктивно
обособленных частей '(рис. 22-2): устрой­
ства связи с объектом и оператором, вы­
числительной части и внешних устройств
ввода и вывода данных, а также ввода про
граммы.
Устройство связи с объектом предка
значено для работы с 250 датчиками, на
выходе которых имеются сигналы достоян
кого тока от 0 до 5 В или от 0 до 5 мА.
Коммутаторы имеют программное управле­
ние. Погрешность аналого-цифрового пре­
образователя порядка ±0,5, время преобра­
зования— 2 мс. Максимальное количество
датчиков с частотно-модулированным сиг­
налом—192. Погрешность измерения частотно-модулированных
сигналов
0,2%
среднее время одного измерения 20 мс
Амплитуда частотно-модулированного сиг­
нала 0,2—2 В, частота импульсов 100—
20 000 Гц. Максимальное количество релей­
ных входов 0—12 В — до (1 344. 'Максималь­
ное количество аналоговых выходных ве­
личин — 60 (амплитуда 0—5 В , погрешность
и время обратного преобразования ±0,5%
и- 50 мс), релейных выходов—до 480.
Устройство связи с объектом УСО рассчи­
тано на работу, автономную от вычисли­
тельной части.
Ввод информации может также осуще­
ствляться с перфоленты (5 дорожек, фо­
товвод), с клавиатуры телеграфного аппа­
рата или с линий связи ЛС.
•Вывод информации производится на
пишущую машинку 1 со скоростью 7 зна­
ков в секунду, быстродействующее печа­
тающее устройство 2 типа ТБПМ 16/1200П
со скоростью 20 строк (шесть десятичных
разрядов и знак) в секунду, на пятидоро­
жечный перфоратор со скоростью 20 строк
в секунду и на рулонный бланк' телеграф­
ного аппарата ТА.
Вычислительная часть состоит из ариф­
метического
АУ
и
управляющего
устройств, оперативного ОЗУ и пассивного
ПЗУ запоминающих устройств. Состав
вычислительной части может быть допол­
нен семью оперативными запоминающи­
ми устройствами емкостью по 512 чисел
каждое.
При использовании машины в режиме
автоматического контроля программа рабо­
ты должна содержать команды для пооче­
редного подключения датчиков, проверки
наличия датчика на данной позиции комму­
татора, выполнения измерения, нахождения
значения уставок (из оперативной памяти),
сравнения уставок и значений контроли­
руемых параметров; в случае, если значе­
ние контролируемых параметров вышло за
•пределы допуска,—должна быть команда—
измеренное
значение
зарегистрировать,
а сигнал о выходе из зоны передать на
релейные выходы для отображения на сиг­
нализационной -панйли.
'К машине «Днепр» могут добавляться
дополнительные устройства — накопитель на
магнитной ленте '(‘1 млн. слов, 2000 слов/с),
быстродействующее печатающее устройство
(до 1200 6-разрядных чисел в мину­
ту и др.
В настоящее время накоплен опреде­
ленный опыт по эксплуатации УВ'М
«Днепр». Так, например, в (Л. 22-5] обоб­
щен опыт эксплуатации машины на неф-теперерабатывающем заводе в Рязани.
Были выявлены время наработки на отказ
(около 48 ч), причины отказов (отказы
■преимущественно происходили вследствие
нарушения контактов в разъемах, при рез­
ких
изменениях
напряжений
питания
и т. п.) и выработаны рекомендации по
улучшению характеристик машины. Ряд ре­
комендаций -в последующих выпусках ма­
шины был реализован.
б) УВМ «Днепр-2»
В машину «Днепр-2» входят вычис­
лительный комплекс «Днепр-21» (до трех
машин), управляющий комплекс «Днепр-22»
(до четырех машин на одну машину
«Днепр-21») и комплекс внешних устройств
[Л. 22-18].
Комплекс «Днепр-22» имеет примерно
такую же структуру, как и «Днепр», но
большую емкость ОЗУ (4096 23-разрядных
слов), быстродействие порядка 16000 опе­
раций сложения в секунду. Имеется воз­
можность ввода следующих сигналов:
сигналов постоянного тока (0—5 В,
0—5 мА при выходном сопротивлении дат­
чиков не более 1 000 Ом);
сигналов частотных (4500—2500, 4000—
8000 Гц, *100—20000 Гц при напряжении
1,5—2 В) вместо сигналов постоянного
тока;
сигналов от термопар и термометров
сопротивления через групповые унифици­
рующие преобразователи;
число-импульсных сигналов от датчиков
количества и расхода веществ (амплитуда
5 В, длительность не менее 10 мкс с ча­
стотой следования до 50 Гц);
кодоимпульсных сигналов в параллель­
ном коде до 46 двоичных разрядов (0 соот­
ветствует или 0, или +27 В; 1 соответ­
ствует—26 В);
двухпозиционных сигналов.
Управляющий комплекс (УК) «Днепр-22»
производит
автоматическое
измерение
контролируемых величин в циклическом
режиме и с приоритетом по коман­
дам вычислительного комплекса (ВК).
Одна из основных функций УК заключает­
ся в выполнении допускового контроля.
При этом используются две предупреди­
тельные и две аварийные уставки, задавае­
мые в цифровом виде. Перед выполнением
операции сравнения с уставками с целью
уменьшения случайных помех текущее зна­
чение х т контролируемой величины сгла­
живается в соответствии с выражением
ft ( Х С ) г + 1 = = ( ^ с ) i (&
1) +
j
гд е £ = 2 П, /1= 1, 2 , . . . , 8.
П ри в ы ход е к он тр ол и р уем ой величины
за пол е д о п у ск а У К с о о б щ а е т об этом В К
и оп ер атор у. Р а б о т а 'ВК по тек ущ ей п р о ­
гр ам м е пр ер ы вается и В К п ер еходи т к р а ­
бот е п о специальной п одп р огр ам м е, ан а­
л и зи р ую щ ей си туац и ю и принимаю щ ей р е­
ш ен и я, направленны е к устр анени ю н а р у ­
ш ений в о бъ ек т е упр авления.
Помимо функции допускового контроля
УК выполняет измерение текущих значений
величин и запись их в оперативную па­
мять, накопление число-импульсных сигна­
лов, выполняет преобразование кодов меж­
ду ВК и периферийными устройствами (пе­
чатающие машинки, пульты ручного ввода
данных и т. п.), хранение и выдачу управ­
ляющих сигналов, контроль работоспособ­
ности устройств УК.
При обмене информацией между УК
и В К используется код Хэмминга, позво­
ляющий выявить и исправить одиночную
ошибку.
Подробное описание системы «Днепр-2»
и программ работы приведено в [Л. 22-48].
В машине УМ-'l для ввода аналоговых
сигналов
используется двухступенчатый
матричный коммутатор (до 384 точек). Сиг­
налы от датчиков нормализуются с по­
мощью групповых блоков в стандартный
сигнал 0—5 В при выходном сопротивлении
1 000 Ом «(пульсация 2% с частотой 50 Гц),
кодируются в '10-разрядный двоичный код.
Время коммутации и измерения аналого­
вого сигнала 6 мс, основная погрешность
±0,4%.
Групповой унифицирующий преобразо­
ватель служит для унификации сигналов
от ‘16 термопар в сигналы от 0 до 5 мА
при сопротивлении 2 000 Ом; основная по­
грешность ±0,5% для сигналов 0—30 и
0—80 мВ и ±1% для сигналов 0—15 мВ;
время преобразования 2,7 с <(с фильтром).
Число-импульсные сигналы формируют­
ся блоками в импульсы тока 1,5—5 мА ма­
лой длительности, образующие 40-разрядный код, запоминаемый на ферритовых
трансформаторах. Трансформаторы опраши­
ваются по программе из вычислительного
комплекса.
Рассмотрение измерительной части вы­
шеприведенных типов УВМ показывает,
что, как правило, она построена по парал­
лельно-последовательному принципу дей­
ствия и по norpeniHocfn и быстродействию
имеет средние данные ( в основном от
±0,4 до ±4,0%, время преобразования от
секунд до 1 мс). В то же время нельзя
не отметить наличие ряда доведенных до
промышленного применения узлов (комму­
таторов, унифицирующих блоков связи с
вычислительной частью, АЦП и др.), имею­
щих важное значение для построения раз­
нообразных ИИС.
22-4. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ
ИНФОРМАЦИОННОВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
'В (Л. 22-4] приводятся описания си­
стем автоматизации управления промыш­
ленными объектами с применением вычис­
лительных машин. Эти системы отличаются
объектами управления, а следовательно,
количеством и составом контролируемых
параметров, точностью и временем получе­
ния измерительной информации от датчи­
ков,
алгоритмами
обработки
данных
и т. п.
Помимо управляющих вычислительных
машин, выпускаемых серийно, в промыш­
ленности используются специализированные
машины, создаваемые для данной отрасли
промышленности. В некоторых из них в ка­
честве составной части применяются серий­
ные управляющие вычислительные машины
(«Днепр», УМ-1 и др.).
К специализированным относятся ма­
шины типа «Сталь-1», «Сталь-2», «Комп­
лекс» (Л. 22-9], «-Алюминий» (Л. 22-1], «Ни­
кель» {Л. 22-1], «Сигнал» [Л. 22-40], «Кас­
кад» {Л. 22-45], «Купол» {Л. 22-13], «Кис­
лород-4» (Л. 22-14], «Сталевар» (Л. 22-161
и др.
•В настоящее время накоплен опреде­
ленный опыт по автоматизации технологи­
ческих процессов с применением управляю­
щих вычислительных машин. В силу ряда
затруднений, связанных с отсутствием ав­
томатических устройств, необходимых для
измерения и контроля ряда параметров,
с недостаточной надежностью управляю­
щих вычислительных машин (особенно их
входных и выходных устройств,— см., на­
пример, [Л. 22-14]), с недостаточной для
уверенного управления изученностью, объ­
ектов и т. п., полностью автоматических
систем управления относительно немного.
.Результаты
анализа
потребностей
в средствах сбора информации для различ­
ных
областей
применения
сведены
в табл. 22-1 [Л. 22-4].
Таблица 22-1
Количество
входов
Область при­
менения
анало­ цифро­
вых
говых
Химическое про­
изводство
300
20
Количе<
чатающ
ройств
в) УВМ УМ-1
&
е н
о
о ^
“ з
Количество
визуаль­
ных инди­
каторов на
электрон­
но-лучевых
трубках
2
0
Электростанции
4 000
10 000
8
20
Металлургичес­
кие заводы
0
500
4
20
Энергосистема
0
500
2
14
Нужно заметить, что при испытаниях
сложных машин и конструкций потреб­
ность в количестве входов, индикаторов,
и регистрирующих устройств может ока­
заться существенно выше указанной. Рас­
сматривая потребности промышленного про­
изводства, можно прийти к выводу, что их
удовлетворение с помощью незначительного
количества типов управляющих машин не­
возможно, а весьма часто нецелесообраз­
но. Видимо, выход из этого положения
следует искать в ином подходе к построе­
нию систем сбора, обработки информации
и управления '(см. ч. 4).
О СИСТЕМАХ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
И ИХ СВЯЗИ С СИСТЕМАМИ АВТОМАТИЧЕСКОГО
КОНТРОЛЯ
Далеко Tie всегда процессы конт­
роля могут быть осуществлены про­
сто и с небольшими затратами вре­
мени п труда. Для проведения авто­
матического контроля ряда парамет­
ров отсутствуют или имеют высокую
стоимость необходимые технические
средства контроля (в частности,
датчики). Резко повышается слож­
ность контролируемых технических
устройств, 'выражающаяся прежде
всего в прогрессирующем увеличе­
нии количества элементов (так, на
пример, система управления амери
канского межконтинентального сна
ряда
«Атлас» содержит О'Коло
300 тыс. элементов) Эти и другие
причины заставляют отказаться от
непрерывного стопроцентного конт­
роля всех величин (пли элементов)
в объекте с целью оценки его состо­
яния и выявления мест и причин
неисправностей, прийти к организа­
ции поиска неисправностей по мере
необходимости. В связи с этим (воз­
никла техническая диагностика —
научная Дисциплина, изучающая
формы проявления отказов в техни­
ческих устройствах, разрабатываю­
щая методы 11х обнаружения, а так:
же принципы построения диагности­
ческих систем [Л. 23-1—23-4].
При создали систем технической
диагностики |Нужно различать -сле­
дующие основные этапы:
изучение объекта диагностики,
связанное с выделением состояний
элементов, Контролируемых величин,
сбор необходимых статистических
данных, оценка затрат труда на
проверку;
построение математической моде­
ли объекта ц ее исследование, свя­
занное с Разработкой программы
проверки обЪекта;
построен lie диагностической си­
стемы основанное на применении
методов системотехники.
Нужно отметить, что успешное
создание математической модели во
многом зависит от степени знания
свойств объекта диагностики и
в свою очередь определяет эффек­
тивность принятого метода поиска
неисправностей.
Объектами технической диагно­
стики являются технические систе-.
мы, в которых можно выделить эле­
менты, причем и системы и элемен­
ты могут находиться обычно в двух
состояниях — работоспособном и не­
работоспособном. Если система со­
держит N элементов, -каждый из ко­
торых может находиться в двух со­
стояниях, тогда отказ системы мож­
но рассматривать как одно из воз­
можных 2N— 1 состояний, вызван­
ных неработоспособностью некото­
рой комбинации ее элементов.
Состояние технической системы
представляется обычно А-мерным
вектором, t-я компонента -которого
равна 1, если i-й элемент работоспо­
собен, или равна 0, если он отказал
Состояние системы определяется пу­
тем проведения проверок по опреде­
ленным программам, называемым
программами диагностики Совокуп­
ность проверок, достаточная для
различения состояний системы, но­
сит
название
диагностического
теста.
Различают комбинационный и
последовательный поиск неисправно­
стей При комбинационном поиске
выполняется заданное число прове^
рок независимо от порядка нх^ осу­
ществления. Последовательный по­
иск связан с анализом результатов
каждой проверки и принятием ре­
шения на проведение последующей
проверки.
Пусть имеется система [Л. 2o-bJ,
состоящая из последовательной де­
почки элементов (рис. 23-1). Тогда
в зависимости от степени знания об
ш
п
ш
г
ш
ш
ш
А
V
V
7
0,05
Б
Z
1
1
1
ж
0,1
1
1
1
1
ш
V
V
J
У
0,15
0,2
I
II
Е
V
5
I
I
II
I
0,2
1
1
1
11
Е
V
V
7
6
0,15
\
1
1
1
ш
0,1
в
*
1
1
I
IF
0,05
Рнс. 23-1. Охема поиска неисправностей в последовательной цепочке элементов.
А — операция поиска (/—///) при равновероятном выходе элементов (1—8) из строя; Б — операция
поиска (I—IV) при указ
вероятностях выхода из строя элементов (1—8).
элементах (в первую очередь знания
вероятностей их отказов) и особен
ностях их проверки (в частности,
знания времени необходимого для
выполнения каждой проверки) могут
существенно изменяться диагности­
ческие программы. В случае, если
отказы всех элементов равновероят­
ны и время, необходимое для выпол­
нения всех проверок, одинаково, то
минимальное количество проверок
может быть получено при использо
вании метода «половинного разбие­
ния» (Л на рис. 23-1). Известные ве­
роятности отказов элементов-позво­
ляют учитывать их при последова
тельности выполнения процедур про­
верки и тел* самым уменьшить ми­
нимально .необходимое число про­
цедур поиска (для нахождения не­
исправности в элементах
и —
две процедуры) (Б на рис. 23-1).На практике выполнение прове­
рок различных элементов связано
с различной трудоемкостью. Если
известно время t, .необходимое для
выполнения проверки различных
элементов и их сочетаний, и вероят­
ности их отказа р, то возможно при
отказах различных элементов выби­
рать наиболее «экономный» диагно­
стический тест (рис. 23-2).
Т&к, например, если отказал эле­
мент 5, то наиболее эффективный
тест, выбранный по минимальным
отношениям времени проверки к ве­
роятностям появления отказов (по­
казанным на, рис. 23-2 в кружках),
будет А— у В —
G—у 6 .
y
Нужно отметить, что подобные
процедуры проверки могут приме­
няться лишь в простейших системах.
При наличии большого количества
элементов и сложных связей между
ними, недоступности для проверки
отдельных элементов или их групп
диагностические тесты существенно
усложняются, для их составления
попользуются современный матема­
тический аппарат и вычислительная
техника [Л. 23-1—23-8]
Структура систем технической
диагностики во
многом близка
к структуре САК, и частично повто­
ряет их [Л. 23-4—23-8]. Основные
отличия сводятся в большинстве
случаев к наличию в диагностиче­
ских системах устройств ввода диаг­
ностических тестов контроля и при­
нятия решений о выполнении после­
дующих операций проверки, а также
устройств, создающих необходимые
воздействия на объект диагностики!
В качестве примера приведем
описание разработанных в Совет­
ском Союзе автоматизированных си­
стем контроля и технической диаг­
ностики типа ПУМА [Л. 23-5].
Проверочные универсальные ма­
шины ПУМА предназначены для
контроля и поиска неисправностей
широкого класса объектов, но глав­
ным образом они предназначены для
диагностики неисправностей радио­
электронного оборудования. С по­
мощью сменной программы обеспе­
чивается подача на объект контроля
стимулирующих сигналов, измерение
Рис. 23-2. Схема выбора диагностического теста.
и контроль ответных реакций объ­
екта на эти сигналы. В зависимости
от оценки этих реакций ПУМА либо
переходит к контролю следующей
величины, либо останавливается и
выдает оператору информацию, не­
обходимую для определения места
и причин отклонения величины от
требуемого значения.
Все модификации проверочных
машин ПУМА выполнены по одной
структурно-функциональной схеме
(рис. 23-3), содержащей входные
преобразователи электрических ве­
личин; датчики неэлектрических ве­
личин; устройства, формирующие
стимулирующие сигналы, воздейст­
вующие на объект контроля ОК\ ком­
мутатор выходов генератора стиму­
лирующих сигналов ГСС и контро­
лируемых параметров; промежуточ­
ные измерительные и аналого-циф­
ровые преобразователи; устройства
обработки F и отображения инфор-^
мациш оперативное запоминающее
устройство ОЗУ, блоки дешифрато­
ров Дш п управления БУ, програм
мное устройство ПУ.
Считываемая с помощью теле­
графного или специально разрабо
тайного трансмиттера (максималь­
ная скорость до 60 строк в секунду)
в виде параллельного кода про­
грамма
либо
перезаписывается
■в ОЗУ/либо с помощью дешифрато­
ров и распределителей импульсов
управляет работой основных узлов
схемы. Генераторы стимулирующих
сигналов представляют собой либо
набор образцовых напряжений, ли­
бо цифро-аналоговый преобразова­
тель. Контролируемые параметры
(R. и с и=, и„, /=, /„л,* /обР, f,
Т, ср и др ) с помощью измеритель­
ных цепей, аналого-цифровых преоб­
разователей и допусковых устройств
преобразуются в цифровые значения
или результаты контроля, отобра­
жаются в выводных устройствах и
обрабатываются (например, выпол­
няется осреднение результатов из­
мерения и .контроля).
Коммутаторы почти всех разра­
боток ПУМА выполнены на много­
кратных соединителях по двухкас­
кадной четырехступенчатой струк­
туре (см. § 12-2). Значения основ­
ных характеристик коммутаторов
следующие число входов п от 200
до 300, выходов /п,< 100, число од­
новременно коммутируемых цепей
£<10.
Так, например, ПУМА-2 способна
осуществлять измерение и контроль
следующих величин
напряжения постоянного и пере­
менного тока от 0,1 до 100 В с по­
грешностью 0,01 и 0,5 В соответст­
венно;
сопротивления от 1 Ом до
500 кОм с погрешностью 1%;
частоты переменного тока до
10' кГц с погрешностью
где fx — измеряемая частота, t —
время измерения;
угла сдвига фаз в пределах от
0 до 180° с погрешностью 2%;
временных интервалов в преде­
лах от 0,000125 до 500 с с погреш­
ностью 0,000125 с;
коротких замыканий и обрывов
электрических цепей;
полярности напряжения посто­
янного тока.
Коммутатор обеспечивает соеди­
нение .10 любых из 300 точек под­
ключения с 32 выходными линиями.
Ввод программы производится с пя­
тидорожечной перфоленты с по­
мощью трансмиттера, обладающего
скоростью считывания 20—25 строк
в секунду. АЦП — время-импульсного типа с 24-разрядным двоичным
выходным кодом.
Генератор стимулирующих сиг­
налов содержит следующий набор
образцовых величин: постоянных на­
пряжений 0,1; 0,3; 045; 0,6; 1,5; 4,5;
12,5; и 30 В; постоянных токов,
плавно изменяющихся от 0 до
100 мА; переменных синусоидальных
напряжений с частотой 0,3; 0,5; 1;
3 Гц и амплитудой 1В и 2,5 В.
Логическая часть машины выпол­
нена на полупроводниковых элемен-
Рис. 23-3. Структурная схема систем типа ПУМА.
тах типа ЭГ; разрабатывается мо­
дификация машины с применением
микромодулей.
В машину введены схемы конт­
роля, обеспечивающие -контроль пра­
вильности работы отдельных блоков,
и предусмотрена проверка неисправ­
ности машины при помощи тестограммы с индикацией неисправных
узлов.
На практике применяются и дру­
гие разнообразные системы техниче­
ской диагностики, разработанные
для диагностики как отдельных ти­
пов технических устройств (самоле­
ты, ракеты, танки и т. п.) [Л 23-6,
23-7], так и универсального примене­
ния. Структурные схемы большин­
ства из них близки к структурной
схеме машин ПУМА.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ
ЧЕТВЕРТАЯ
О СИСТЕМАХ ОПОЗНАНИЯ ОБРАЗОВ И ИХ СВЯЗИ
С СИСТЕМАМИ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Системы
опознания
образов
предназначены для решения про­
блем, связанных с определением со­
ответствия между исследуемым объ­
ектом и заданным образом
Образом может быть «море»,
«музыка Чайковского», «человек»,
«треугольник», буква «К», цифра «5»,
«нормальное состояние какого-либо
объекта контроля» и т. п. При столь
широкой постановке вопроса естест­
венна многоплановость исследова­
ний по опознанию образов
Из огромного обилия проблем,
связанных с опознанием образов,
можно выделить задачи опознания
материальных объектов и происхо­
дящих в них процессов, характери­
зующихся параметрами, значения
которых можно измерить экспери­
ментальным путем и сопоставить
с областью значений, определяющей
количественное описание свойств об­
раза Тогда частными по отношению
к такой постановке будут задачи,
решаемые в автоматическом про­
мышленном контроле, контроле со­
стояния сложного оборудования,
в технической диагностике. Понятия
систем опознания образов, решаю­
щих такие задачи, совпадают в сво­
ей основе соответственно с поняти­
ями систем автоматического контро­
ля и технической диагностики. В то
же время видимо, -можно выделить
задачи классификации биологиче­
ских объектов (хромосом, кровяных
телец, микробов, вирусов и т. п )
дактилоскопических снимков, опоз­
нания радиосигналов и т. п., для ре­
шения которых должны создаваться
специальные системы опознания об­
разов. Все названные системы мож­
но условно назвать системами, вы­
полняющими опознание образов че­
рез количественное описание приз­
наков.
Структурная схема таких систем
принципиально не отличается от схе­
мы ИИС (см. рис. 1-1). Однако в си­
стемах опознания образов применя­
ется своеобразная1 терминология,
на которой нужно остановиться
(рис. 24-1).
Исследуемый объект часто назы­
вается оригиналом, воспринимаю­
щие элементы (датчики) — рецепто­
рами, а их совокупность — рецептор­
ным полем. Реакция рецептора на
оригинал носит название изображе­
ния. Естественным является выпол­
нение требования информационной
эквивалентности изображения ори­
гиналу.
При промежуточных преобразо­
ваниях происходит фильтрация, за­
ключающаяся не только в уменьше­
нии влияния шумов, по и в подго­
товке к последующему анализу (на­
пример, в выделении контуров слож­
ных фигур).
Собственно процесс опознания
осуществляется в ассоциирующей си­
стеме, являющейся комбинацией уст-
определены и являются
измеримыми величинами.
Фильтр
Описание объекта Q мо­
жет быть выполнено пу­
\
(оригинал^
F
тем сопоставления
хэ
(или какой-либо функции
от них) с х, характеризу­
Изображение
ющими
опознаваемый
объект. В случае, если
имеется несколько обра­
зов, то каждый из них
Рис. 24-1. Структурная схема системы опознания образов
Q13 имеет свои признаки
опознания Хгэ и может ре­
шаться задача определения принад­
ройстз обработки и сравнения обра­
лежности
исследуемого
объекта
ботанного изображения — описания
к какому-либо образу. Решение этой
образа — с описанием обобщенного
задачи возможно, если задана мера
(эталонного) образа (аналог описа­
уклонения Xj относительно Xj3.
ния нормы в САК), находящимся
В зависимости от особенностей
в устройстве памяти. Ассоциирую­
образов используются разнообраз­
щая система производит опознание
ные меры уклонения. Наиболее про­
по определенному решающему пра­
стой мерой уклонения является сум­
вилу.
ма модулей разностей между коор­
Различают абсолютное описание
динатами объекта и образа
образа, позволяющее восстановить
изображение с заданной точностью,
п
и относительное описание, содержа­
(Q, Qo) — £ Ix i —
|.
щее набор значений отличительных
/= i
признаков (например, спектральных
В евклидовом метрическом -про­
характеристик), не позволяющих
странстве в качестве метрики высту­
полностью воспроизвести изображе­
пает расстояние между точками Q
ние. Заметим, что здесь наблюдает­
с координатами х и Q3
ся аналогия с видами измерений, по
результатам которых можно или
нельзя восстановить измеряемую ве­
r(Q. <Ээ)=
личину (см. гл. 2—5).
/= i
Величины, описывающие свой­
ства образа, называются признака­
Если r(Q, Q3)< :e, где e — допу­
ми опознания. Объединение таких
стимое уклонение, то предъявленный
признаков, относящихся к данному
объект соответствует обобщенному
образу, часто называется классом.
образу Q0. Е сли имеется несколько
Отсюда вытекает понятие классифи­
эталонных образов Qid, то процеду­
кации объектов.
ра поиска эталонного образа соот­
Основная задача опознания за­
ветствующего данному объекту сво­
ключается в сопоставлении по при­
дится к нахождению Qi3, для кото­
знакам опознания эталонного образа
рого г ^ е .
с данным объектом и решении во­
Если в пространстве образа хэ
проса, относится ли этот объект
заданы плотности вероятностей то
к заданному образу. Для того что­
при их интегрировании по соответ­
бы выполнить эту задачу, необходи­
ствующей области пространства
мо в первую очередь выделить при­
можно определить вероятность того,
знаки, описывающие с достаточной
что опознаваемый образ принадле­
полнотой образ.
жит этой области Близость между
Положим, признаки опознания
опознаваемыми и эталонными обра­
зами может быть также оценена
Хэ=Я1э> ^2а» • • •»
• • •»%пъ образа Qa
Рецепт орное
уст рой.ст дп
Ассоциирующая
система
Г
] / 1 (xj—
нормированными
корреляции типа
коэффициентами
п
X 'jX '3 3
’=
7
7
( o < p < i) .
V 2*? V Б 4
/= 1
/= 1
Учитывая наличие случайных
составляющих в х и хэ, часто ис­
пользуют статистические харак­
теристики полученных значений
уклонений
При неполной априорной инфор­
мации об образе установление приз­
наков и количественное описание
образов могут производиться в обу­
чаемых системах опознания образов.
Перед обучением энтропия системы
максимальна, т. е. изображение мо­
жет быть отнесено к любому образу
с равной вероятностью. При обуче­
нии вводится упорядоченность в от­
веты ассоциирующей системы, и эн­
тропия
системы
асимптотически
уменьшается до заданного значения
при увеличении количества обучаю­
щих опытов.
Часто признаки задаются, а при
обучении система устанавливает по­
верхности, разделяющие образы.
Приведем пример такой системы.
Для различения цифр 0, 1, 2, 3, 4,5 в
[Л. 24-4] описана следующая проце­
дура построения разделяющих по­
верхностей. Цифры имели одинако­
вую высоту, воспринимались рецеп­
торным полем, содержащим 6X10
фотоэлементов. Границы областей
существования образа для каждой
цифры неизвестны, и их следует ус­
тановить при обучении. Для этого
системе предъявляются, например,
образы 1 и 2 и вносится информа­
ция о том, какой образ показыва­
ется.
Вычислительная машина запоми­
нает области координат образов,
затем подбирает случайно п коэффи­
циентов cij и определяет выражения
п
2 аох д при подстановке координат
первой и второй зон, соответствую­
щих образам / и 2 Пусть, наприп
мер, получилось, что
ajxj l = b l и
/=i
П
2 dj Xj 2 = b2. Тогда выбирается число
/=1
ап+и лежащее в диапазоне min (bl9 b2)<
<an+l<max(bl b2) при котором линейп
ная функция ^ 0,3X 3 —а п+1 принимает
/= 1
для одной зоны значение больше
нуля, для другой — меньше нуля и,
следовательно, разделяет эти зоны.
Такая функция на рис. 24-2 пред­
ставлена сечением 1-1. Затем после­
довательно производится обучение
для областей 1 и 3 и нахождение
сечения II-II, 2 и 3 и сечения III-III.
Ни одно из сечений не годится для
разделения трех областей. Поэтому
выбирается сложное сечение, пока­
занное на рис. 24-2 пунктиром.
Обучение в такой системе [Л. 24-4]
производилось на 202 цифрах. Экза­
мен производился на 796 цифрах.
Правильное опознание выполнялось
в 76%. В случае, если результат
опознания определялся по ответам
семи ассоциирующих систем, то пра
вильное опознание
выполнялось
в 98,5%.
В пространстве рецепторов уда­
ется разделить четко образы лишь
в небольшом числе задач. Часто
признаки опознания различных об­
разов совпадают. Поэтому возникает
необходимость преобразования про­
странства ответов рецепторов в дру­
гое пространство, позволяющее раз­
делить образы более определенно.
Одна нз первых попыток преоб­
разования пространства рецепторов
во вспомогательное пространство
сделана Ф. Розенблатом в так назы­
ваемых перцептронах [Л. 24-7] (под
термином «перцепция» в психологии
и философии понимается восприятие
действительности органами чувств).
Остановимся на сути работы а-перцептрона (рис. 24-3). Он состоит из
рецепторного поля, поля ассоцииру265
принимается решение, что объ­
ект относится к классу I. Та­
ким образом, в перцептроне
пространство рецепторного по­
ля преобразуется (с помощью
организации связей и порогов
срабатывания) в пространство
А элементов. Совокупность
значений коэффициентов уси­
ш
ления усилителей задает в
A-пространстве некоторую ги­
перплоскость,
разделяющую
объекты разных классов.
Если предположить, что
каждый элемент А -связан с
Рис. 24-2. К выбору линий, разделяющих Обла­
одним рецептором возбуждаю­
сти /, 2, 3.
щей связью, сигнал от возбуж­
денного рецептора и порог сра­
батывания элементов А равны 1,
ющих элементов A if..., Ат, усилите­
то в конце обучения значения коэф­
лей с переменным коэффициентом
фициентов усиления будут отражать,
усиления и сумматора— решающего
насколько часто встречаются точки
устройства R. Ассоциирующие эле­
объекта на рецепторном поле.
менты связаны с рецепторами с по­
мощью возбуждающих ( + ) и тор­
В [Л. 24-6] приводятся данные
мозящих (—) связей и имеют опре­
экспериментальной проверки а-перделенные пороги срабатывания. Ор­
цептрона. К рецепторному полю, со­
ганизация связей с рецепторами и
держащему 16X16 элементов, под­
пороги срабатывания ассоциирую­
ключалось от 4100 до 1 300 элементов
щих элементов устанавливаются до
А, в которых число связей с рецеп­
начала процесса обучения случай­
торами изменялось от 5 до 30. Ока­
ным образом.
залось, что при опознании прямо­
угольников процент ошибочных ре­
Процесс обучения заключается
в том, что перцептрону показывает­
шений достигал 6%, треугольников
и эллипсов — до 33%. Существен­
ся объект класса I, при этом воз­
ного уменьшения количества непра­
буждаются некоторые элементы А и
вильно опознанных объектов можно
коэффициенты усилителей, связан­
ные с ними, увеличиваются на 1.
добиться изменением (;в процессе
Затем
показывается
L=7
+1
объект класса II и у
возбудившихся
ассо­ о
о о о о о о о о
Аг
(-)
>
циирующих элементов
о о о о о о о о о о
уменьшается коэффи­ о о о о о о о о О О
циент усиления усили­
£= -7
-7
о о - • ООО О о
телей. После много­ оо оо О
о
о
ОО 5 о О
м
кратно
повторенной
А2
>
о о О О О О О ( Lo о J-L
процедуры
обучения
О г® О О О о о
о о
•
•
устанавливаются опре­ о о
о О О Оо о
•
деленные коэффициен­ о о
£= 0
о о О ОО О
ты усиления усилите­
-7
о о о о о о
о
лей. При «экзамене»
*+7 ^ т
>
показывается неизвест­
ный объект. Если сум­
н
ма сигналов от А поло­
ш
жительна, то в блоке/?
Рис. 24-3. Схема а-перцептрона.
обучения) структуры связей и поро­
гов срабатывания элементов А
[Л. 24-2J.
В а-перцептронах оказываются
недоступными для опознания объек­
ты, перемещающиеся по рецептор­
ному полю и изменяющиеся по мас­
штабу. Для того чтобы проводить
обобщения подобного рода, необхо­
димо применение специальных алго­
ритмов обработки.
Построены и испытаны а-перцептроны с различным соотношени­
ем количества рецепторов и элемен­
тов А: в перцептроне «Марк-1» —
400 и 512, «Конфлекс-1»—400 и
500, 1000, 3000, 3000, 5000 элемен­
тов А [Л. 24-1].
Процессы обучения могут быть,
естественно, использованы не толь­
ко в перцептропах. Известны приме­
ры использования обучающихся
устройств опознания образов в си­
стемах автоматического управления.
В качестве примеров таких устройств
[Л. 24-1] можно назвать САУ рас­
пределением температуры (100 то­
чек измерения, определение конеч­
ных разностей первого и второго
порядка и организация обучающей­
ся ассоциирующей системы опозна­
ния десяти различных распределе­
ний температур) и устройство типа
«обучающихся датчиков», решаю­
щих по сути дела задачу получения
результатов косвенных -измерений
или контроля. В созданной системе
«обучающихся датчиков» [Л. 24-1]
опознавались пять различных зна­
чений обобщенной характеристики
Ф(Х1Ь *2, ...» хп) по измеренным
значениям величин х\, хо, ..., х п
с приведенной погрешностью поряд­
ка 10%. Устройства типа «обучаю­
щихся датчиков» интересны (пока
преимущественно с точки зрения ме­
тодологической) в случаях, когда
функция ср неизвестна.
Можно предполагать, что в бли­
жайшее время существенно увели­
чится количество САК, основанных
на принципах опознания образов.
Именно поэтому мы сочли здесь по­
лезным ознакомить специалистов
в области ИИС с устройствами опо­
знания образов.
Читателей, желающих более под­
робно ознакомиться с теорией опо­
знания образов и реализацией опо­
знающих устройств, отсылаем к спе­
циальной литературе [Л. 24-8 —
24-14].
ЧАСТЬ Ч Е Т В Е Р Т А Я
ПОСТРОЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА БАЗЕ
АГРЕГАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ
ГОСУДАРСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ ПРИБОРОВ
И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ
Г ЛАВА Д В А Д Ц А Т Ь ПЯТАЯ
ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРИБОРОВ
И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ (ГСП)
И МЕЖДУНАРОДНАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ СИСТЕМА
АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ,
РЕГУЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ (УРС)
В течение 1971 —1975 гг. в соот­
ветствии с Планом развития народ­
ного хозяйства СССР должно быть
введено в действие свыше двух ты­
сяч систем автоматического управ­
ления технологическими процесса­
ми [Л. 25-38]. Очевидно, что помимо
назначения, связанного с видом ав­
томатизируемых
технологических
процессов, эти системы будут раз­
личаться
степенью
сложности.
В [Л. 25-1] приводится классифика­
ция АСУ ТП. Исходя из условных
градаций по числу контролируемых
величин и управляющих воздейст­
вий, а также по степени совершенст­
ва управления, номенклатуру АСУ
ТП можно ограничить следующими
классами:
1. АСУ ТП с малым количеством
(до 20) контролируемых и регули­
руемых величин. Функции: измере­
ние, контроль, индикация, сигнали­
зация и регулирование. Применение:
топки паровых котлов, весовые до­
заторы и т. п.
2. АСУ ТП с малым количест­
вом (до 40) контролируемых и ре­
гулируемых величин. Функции те
же, что и в п. 1, и логические опе268
рации. Применение: нагревательные
колодцы и фурмы доменных печей,
ректификационные колонны, техно­
логические котельные и т. д.
3. АСУ ТП со средним количе­
ством (около 100) контролируемых,
регулируемых и оптимизируемых
величин. Функции те же, что и в п. 2,
и многоконтурное регулирование.
Применение: конверторы, химиче­
ские реакторы и т. п.
4. АСУ ТП с большим количест­
вом (около 800) контролируемых,
регулируемых и оптимизируемых
величин. Функции те же, что и вп.З,
и вычисление технико-экономиче­
ских
показателей.
Применение:
энергоблоки, прокатные станы, ав­
тономные реакторы и т. и.
Последующие градации АСУ ТП,
связанных с диспетчеризацией и ад­
министративным управлением, не­
обходимым при управлении крупны­
ми цехами, заводами, не рассматри­
ваются, так как они выходят за
сферу действия ИИС.
Крохме АСУ ТП предстоит соз­
дать большое количество ИИС,
предназначенных для автоматиза­
ции научного эксперимента, для ис­
пытания сложных объектов автома­
тизации проверочных испытаний,
геофизических исследований, сбора
и передачи гидрометеорологической
информации и т. п.
В настоящее время по ИИС, не­
обходимым для автоматизации на­
учно-исследовательского
экспери­
мента, нет материалов, обобщаю­
щих количественную потребность
в системах и дающих их классифи­
кацию. Однако можно утверждать,
что количество внедряемых ИИС
для автоматизации научных экспе­
риментов (ИИС АНЭ) одного по­
рядка с АСУ ТП, но разновидности
их более многочисленны. Так, ви­
димо, ИИС АНЭ должны быть до­
полнены классами систем с очень
большим количеством измеряемых
величин (1000—5000, 5000—10 000,
свыше 10 000) и обработкой изме­
рительной информации с помощью
средств современной вычислитель­
ной техники.
Следует также ' выделить спе­
циальный класс измерительных ин­
формационных систем, предназна­
ченных для испытания сложных объ­
ектов (самолетов, кораблей, ракет
и т. *п.) и оборудования (радиоэлек­
тронных комплексов и т. п .),—
ИИС ИСО. Для ИИС ИСО можно
пользоваться темп же классами
ИИС, что и для ИИС АСУ ТП и
ИИС АНЭ. Естественно, что в функ­
ции систем ИИС ИСО должны вхо­
дить не только измерение, но и кон­
троль, диагностика, прогнозирова
ние. Опубликованных данных по по
требностям народного хозяйства и
оборонной техники в ИИС ИСО нет.
Однако можно предполагать, что они
не меньше, чем в ИИС для АСУ ТП
и ИИС АНЭ.
Резюмируя сказа нмое, можно
утверждать, что в области создания
и внедрения ИИС предстоит огром­
ная по своим масштабам работа,
что существующие и выпускаемые
ныне' технические средства инфор­
мационно-измерительной
техники
не могут удовлетворить современ­
ные запросы практики В. связи
с этим принципиальное значение
имеет соответствующее решение
XXIV съезда КПСС о создании пол­
ного комплекса унифицированных
устройств, входящих в Государст­
венную систему приборов, и освое­
ние производства таких устройств.
Принципиальные положения, ле­
жащие в основе Государственной
системы приборов (ГСП), отражают
техническую политику, направлен­
ную на удовлетворение основных
потребностей народного хозяйства
в современных технических средст­
вах автоматизации. ГСП предусма­
тривает создание научно обоснован­
ных и рационально ограниченных
рядов унифицированных приборов и
устройств с единой нормативной ба­
зой, включающей унификацию ин­
формационных сигналов, метрологи­
ческих, надежностных, энергетиче­
ских и других характеристик, необ­
ходимого математического обеспе­
чения, конструктивного выполнения,
предусматривающего
блочно-модульный принцип построения с ис­
пользованием современной техноло­
гии изготовления [Л. 25-2 — 25-5].
Устройства ГСП объединяются во
взаимосвязанные, имеющие метро­
логическую, информационную, кон­
структивную и эксплуатационную
совместимость, агрегатные (агрегатпрованные) комплексы средств
контроля и регулирования (АСКР),
вычислительной техники (АСВТ),
систем телемеханики (АССТ), элек­
троизмерительной техники (АСЭТ),
хронометрической техники (АСХТ),
сбора
и первичной обработки
алфавптно - цифровой информации
(АСПИ), аналитической техники
(АСАТ), организационной техники
(АСОТ), испытаний на прочность
(АСИП), программного управления
(АСПУ), измерения и дозирования
масс (АСИМ) и др.
Работы
по созданию ГСП
в СССР были начаты в I960 —
1961 гг.
В 1961 г. было принято решение
об организации совместной работы
стран — членов Совета Экономиче-
ской Взаимопомощи по созданию
Международной универсальной си­
стемы автоматического контроля,
регулирования и управления — УРС
[Л. 25-6]. Главной целью создания
УРС было обеспечение стран социа­
лизма унифицированными прибора­
ми и техническими средствами ав­
томатизации. Работы по УРС ве­
дутся странами — членами СЭВ со­
гласованно и в тесном сотрудниче­
стве В ' «Комплексной программе
дальнейшего углубления и совер­
шенствования
сотрудничества
и
развития социалистической экономи­
ческой интеграции стран — членов
СЭВ» (август 1971 г.) предусмотре­
но: «Разработать и приступить
к внедрению в производство до
1975 г. системы автоматизации про­
цессов измерения, контроля и испы­
тания, на основе специализации и
кооперирования производства».
В ГДР основные положения
УРС реализованы в универсальной
системе приборов и устройств для
сбора, передачи, обработки и ис­
пользования информации при авто­
матизации технологических процес­
сов (УРСАМАТ) [Л. 25-7—25-9].
Эта система позволяет создавать
комплексные устройс1ъа для измере­
ния и управления в энергохозяйст­
ве, металлургии, химической про­
мышленности, судостроении, легкой
промышленности и т. п. Система
УРСАМАТ содержит несколько
комплексов:
УРСАКОНТ—комплекс устройств
для сбора информации. К таким
устройствам относятся датчики с си­
ловой компенсацией (УРСАПОНД),
датчики температуры (УРСАТЕРМ),
манометрические датчики (УРСАБАР), датчики объема и расхода
(УРСАФЛЮКС), датчики уровней
(УРСАЛОТ), химические, оптиче­
ские и другие анализаторы (УРСАЛИТ), устройства измерения угло­
вых и линейных перемещений (УРСАЦЕНТ), счетчики (УРСАФЛОП)
и вторичные показывающие и реги­
стрирующие
приборы
(УРСАКОРД);
УРСАТРОН — комплекс
элек­
трических устройств обработки, пре­
образования и передачи информа­
ции; к ним относятся комплексы
электрических аналоговых (УРСАДИН) и цифровых (УРСАЛОГ) мо­
дулей и функциональных блоков,
устройства для обработки и хране­
ния
измерительной информации
(УРСАДАТ), телеизмерения и теле­
регулирования
(УРСАТРАНС),
устройства обработки информации
в аналоговом виде (УРСАМАР);
УРСАПНЕВ — комплекс
пнев­
матических устройств для передачи
и обработки информации;
УРСАСТАТ — комплекс реле и
регуляторов, работающих без ис­
пользования вспомогательной энер­
гии;
УРСАВИРК — комплекс
нительных механизмов.
испол­
В качестве примера использова­
ния устройств системы УРСАМАТ
на рис. 25-1—25-3 показаны функ­
циональные возможности некоторых
комплексов получения информации,
входящих в эту систему.
Так, например, на рис. 25-1 по­
казаны возможности измерительных
устройств с силовой компенсацией
комплекса УРСАПОНД. В этот
комплекс входят преобразователи
давлений (риов — выше атмосферно­
го, рпоп—ниже атмосферного, рабс—
абсолютного), перепадов давления
Ару температуры t° и уровней Н
в измерительное усилие Fv\ форми­
рователи компенсирующего усилия
Гк; устройства сравнения FK и Fn;
преобразователи AF в перемещение
AS упругого элемента и д5 в вели­
чину Ар или AU; устройства фор­
мирования унифицированного вы­
ходного сигнала рс (0,2—1,0кгс/см2)
или гс (0—5 мА постоянного тока).
Рисунок 25-2 иллюстрирует функ:
циональные возможности номпл^кса
вторичных показывающих и регист­
рирующих приборов и устройств
УРСАКОРД, и, наконец, рис. 25-3—
возможные варианты построения
контрольно-измерительной системы
Р п об-J
Pm
ЛГи
Измеряемые 6еличины
Fu
Механические
Пневма ти ческие
сигналь/
Электра чески е
Рис. 25-1. Измерительные устройства с силовой
компенсацией УРСАПОНД.
при использовании устройств ком­
плекса УРСАТЕРМ.
На основе устройств УРСАМАТ
уже созданы и создаются разнооб­
разные системы автоматического
контроля и регулирования, которые
находят широкое применение в раз­
личных отраслях народного хозяй­
ства ГДР. Опыт использования си­
стемы УРСАМАТ в ГДР показал
ее высокую эффективность, связан­
ную с резким сокращением сроков
разработки установок для автома­
тизации производственных процес­
сов, снижением, примерно на 30%,
расходов на обслуживание и ремонт
и г. п. [Л. 25-8].
Работа по реализации УРС про­
водится в Чехословакии, Польше,
Болгарии, Румынии [Л. 25-6].
Известны унифицированные ком­
плексы (преимущественно вычисли­
тельной техники), разработанные
рядом зарубежных фирм в США
(фирма IBM) [Л. 25-10], Великобри­
тании (фирма Elliott Automation,
комплекс ARCH), Японии [Л. 25-11]
и других странах.
Заслуживает внимания разрабо­
танный первоначально для нужд
ядерного эксперимента унифициро­
ванный комплекс КАМАК, в созда­
нии которого участвовал ряд евро­
пейских стран. Краткое описание
этого комплекса приведено в § 27-3.
В дальнейшем кратко остановим­
ся на нормативных документах для
ГСП, характеристиках агрегатных
комплексов ГСП и на возможности
использования устройств, входящих
сигналов в ГСП; ГОСТ
12814-67
нормирует
применяемые в ГСП
коды; ГОСТ 15579-70
унифицирует присоеди­
нительные
размеры
пневматических, элек­
трических и гидравли­
ческих приборов; ГОСТ
12863-67 нормирует ос­
новные размеры типо­
вых конструкций ГСП
(УРС).
В ГСП входят вет­
ви электрических, пнев­
матических и гидрав­
лических
устройств.
Мы остановимся на
рассмотрении электри­
ческой
ветви
ГСП,
имеющей, как извест­
но, наиболее широкую
область
применения.
В то же время нужно
отметить огромную ра­
боту, приведшую к со­
зданию средств пнев­
матической и пневмоРис. 25-2. Функциональные возможности комплекса
УРСАКОРД.
электрической техники
/ — от первичных измерительных преобразователей; II — вспомогатель­
сбора, обработки ин­
ные устройства; / / / — показывающ ие или регистрирующие устройства;
,
IV — унифицированный сигнал.
формации и управле­
ния {Л. 25-12, 25-13]. __
В соответствии с обобщенной
в эти комплексы, при создании ИИС
структурной схемой ИИС (см. рис.
как автономного действия, так и
1-1) можно выделить основные эле­
входящих в состав систем управле­
ния и информационных систем.
менты (блоки), необходимые для
построения ИИС ближнего дейст­
По созданию нормативных доку­
вия. К таким элементам относятся
ментов для ГСП проведена и про­
первичные измерительные преобра­
должает проводиться большая ра­
зователи-датчики, унифицирующие
бота. Так, ГОСТ 12997-67 регламен­
преобразователи, измерительные и
тирует общие технические требова­
контрольно-измерительные
анало­
ния к устройствам ГСП, ГОСТ
говые и цифровые приборы, комму­
13418-67 — к электрическим прибо­
таторы, АЦП, устройства обработ­
рам ГСП; ГОСТ 13216-67 регламен­
ки и промежуточного преобразова­
тирует общие технические требова­
ния аналоговых сигналов и цифро­
ния к надежности устройств ГСП;
вых данных, устройства представле­
общие
технические
требования
ния информации. Именно на этих
к датчикам ГСП установлены ГОСТ
устройствах комплексов ГСП будем
13034-67; ГОСТ 9895-69 нормирует
в дальнейшем концентрировать вни­
электрические входные и выходные
мание.
сигналы тока и напряжения в ГСП;
ГОСТ 10938-69 й ГОСТ 14853-69
Комплексы ГСП можно условно
разделить на две группы. Первая из
нормируют параметры импульсных
и частотных входных и выходных
них охватывает устройства, обеспе272
18—741
273-
Рис. 25-3. Структурная схема контрольно-измерительной системы при использовании устройств комплекса УРСАТЕРЛ^.
I — стабилизатор постоянного тока; 2 — стабилизированный преобразователь переменного тока в постоянны!}.
чивающие потребности отдельных
областей приборостроения (АСИП,
АСИМ АСАТ, АСХТ). Вторая —
охватывает устройства широкого
назначения (АСПИ, АСОТ, АСПУ,
АСКР, АСЭТ, АСВТ, АССТ)
'При создании ИИС ближнего
действия различного назначения не­
обходимо использовать устройства
ряда агрегатных комплексов ГСП.
В первую очередь к таким агрегат­
ным комплексам относятся АСКР,
АСВТ (совместно с комплексом тех­
нических средств локальных инфор­
мационно - управляющих систем —
КТС ЛИУС) И АСЭТ.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ
ШЕСТАЯ
АГРЕГАТНЫЙ КОМПЛЕКС СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ
И РЕГУЛИРОВАНИЯ (АСКР)
»
Агрегатный комплекс средств
контроля и регулирования (АСКР)
включает в себя устройства, позво­
ляющие создавать законченные си­
стемы автоматического контроля
и регулирования периодических и
непрерывных технологических про­
цессов
Большое внимание в комплексе
АСКР уделено унификации первич­
ных измерительных преобразовате­
лей (датчиков) [Л. 25-14]. В частно­
сти, довольно полной унификации
удалось добиться для датчиков ос­
новных теплоэнергетических пара­
метров (усилий, перемещений, дав­
лений, уровней, плотностей, расхо­
дов, манометрических термометров
и др.) с использованием принципа
силовой компенсации [Л. 25-15 —
25-19]. Такие датчики с силовой ком­
пенсацией удовлетворяют требова­
ниям, предъявляемым к ним ГОСТ
13034-67 (класс точности от 0,4 до
1,0, порог чувствительности 0,1 —
0,05%’, унифицированный выходной
сигнал и др.). Они выпускаются
промышленностью. Нужно отметить,
что унификация датчиков и их эле­
ментов позволила резко сократить
количество типоразмеров деталей
(примерно в 12 раз) и уменьшить
стоимость датчиков [Л. 25-19]. Од­
нако имеется огромная потребность
в расширении номенклатуры дат­
чиков, входящих в ГСП.
В номенклатуру АСКР помимо
датчиков входят:
аналоговый комплекс средств
контроля и регулирования, вклю­
чающий набор многоточечных авто­
матических потенциометров и мо­
стов;
комплекс средств централизован­
ного контроля, включающий комму­
таторы унифицированных сигналов
и сигналов низкого уровня, норми­
рующие усилители сигналов низкого
уровня, линеаризаторы сигналов
датчиков, устройства сравнения и
сигнализации, АЦП, устройства
цифровой памяти, коммутирующие
устройства вызывного контроля,
устройства представления инфор­
мации (цифровые табло, мнемо­
схемы, электронно-лучевые трубки),
устройства управления и питания
и т. д.;
комплекс регулирующих и ис­
полнительных устройств постоянно­
го тока;
комплекс средств контроля и ре­
гулирования с частотно-фсрродинамической аппаратурой;
комплекс первичных измеритель­
ных преобразователей и систем ре­
гулирования
без использования
вспомогательной энергии;
комплекс первичных измеритель­
ных преобразователей и систем ре­
гулирования
без
использования
вспомогательной энергии;
комплекс средств пневмоавтома­
тики (системы «Парус», «Пуск-3»
и др.), гидроавтоматики (система
«СЭГРА» и др.) и комбинирован­
ных средств пневмо- и гидроэлектри­
ческой, автоматики.
При разработке АСКР широко
используются выпускаемые серийно
и разрабатываемые специально для
АСКР интегральные микросхемы,
что позволяет в несколько раз
уменьшить объем аппаратуры, по­
требляемую мощность и увеличить
надежность
Из приведенной номенклатуры
устройств АСКР следует, что из них
можно создавать сравнительно про­
стые контрольно-измерительные си­
стемы параллельного и параллель­
но-последовательного
действия,,
предназначенные для работы в ка­
честве измерительной части преиму­
щественно промышленных САР. При
совместном использовании
этих
устройств с устройствами других
комплексов ГСП возможно созда­
ние и более сложных систем авто­
матического регулирования и управ­
ления.
,
ГЛАВА Д В А Д ЦА Т Ь СЕДЬМАЯ
КОМПЛЕКС ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЛОКАЛЬНЫХ
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ (КТС ЛИУС),
АГРЕГАТНЫЙ КОМПЛЕКС СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
ТЕХНИКИ (АСВТ) И КОМПЛЕКС КАМАК
27-1.
К Р А Т К А Я
К Т С
Х А Р А К Т Е Р И С Т И К А
Л И У С
Комплекс технических средств
локальных информационно-управляющих систем (КТС ЛИУС), раз­
работанный в 'СКВ САУ (г. Харь­
ков), предназначен для удовлетво­
рения потребностей черной и цвет­
ной металлургии, химии, энергети­
ки, нефтеперерабатывающей и дру­
гих отраслей промышленности в им
формационно-управляющих систе­
мах с малым и средним количест­
вом контролируемых величин, соот­
ветствующих пп 1—3 классифика
ции АСУ ТП. В то же время устрой­
ства КТС ЛИУС могут быть исполь­
зованы совместно с АСВТ для соз­
дания АСУ ТП, выполняющих более
сложные функции (п. 4 классифика­
ции АСУ ТП) ,[Л. 25-21, 25-22]
Конкретные информациопно-управляющие комплексы компонуют­
ся из конструктивно законченных
устройств КТС ЛИУС при минихмально необходимом в отдельных
случаях объеме (разработки допол­
нительной аппаратуры Анализ, про­
веденный
разработчиками
КТС
ЛИУС, показывает, что наличие,
унифицированных блоков позволяет
18*
примерно в 3 раза сократить время
на разработку АСУ ТП, существен­
но уменьшить время, затрачиваемое
на их внедрение.
Номенклатура
изделий
КТС
ЛИУС [Л. 25-21] предусматривает:
комплекты типовых конструкций —
платы, каркасы, кожухи, контейне­
ры, шкафы, стойки, щиты, пульты;
субблоки — триггеры, преобразо­
ватели кодов, логические элементы,
формирователи импульсов, усилите­
ли, устройства временных задержек,
пересчетные cxeMbj преобразовате­
лей частоты, распределители им­
пульсов, схемы сравнения частотных
сигналов, генераторы, диодцые сбор­
ки, коммутаторы амплитудно-частотно-модулированных сигналов, пре­
образователи напряжения в часто­
ту и во временной интервал и ча­
стоты в напряжение, цифро-аналого­
вые преобразователи, а также блоки
питания;
функциональные блоки комму­
тации частотных сигналов БКСЦ-1,
БКСЦ-2; преобразования напряже­
ний в частоту БПМС-1, БПМС-2;
пневматических сигналов в частоту
БПДС; частотно-цифрового -преоб­
разования БПСЦ-1— БПСЦ-3; за-
Дания программы; сравнения ча­
стотных сигналов БМЦС-1, БМЦС-2;
умножения на постоянные коэффи­
циенты БМЦУ-1, БМЦУ-2; интегри­
рования БМСИ; накопитель на
магнитных сердечниках БНМС-1,
БНМС-2; вывода на цифровую ин­
дикацию БВКЦ-1—БВКД-3 и сиг­
нализатор БВКЦ-4; вывода на циф­
ровой регистратор БВКР; перфора­
тор ленты БВКД; управления, меха.низмами; блок выходных усилите­
лей БУРМ;
приборы и устройства — цифро­
вой коммутатор частотных сигналов
ПКСЦ, преобразователь напряже­
ния в частоту ППНС-1, ППНС-2,
преобразователи с линеаризацией
сигналов напряжения переменного
тока ГШФА, частотно-модулирован;ных ППСА и пневматических ППДА;
многоканальный
преобразователь
частотного сигнала в напряжение
ППСН; датчики времени и програм­
мные датчики, интеграторы частот­
ные
самопишущие
ПМСИ-1—
ПМСИ-4, регуляторы, приборы вво­
да информации — задатчики; при
боры вывода аналоговой информа­
ции; приборы вывода цифровой ин­
формации ПВКЦ; выходные усили­
тели и устройства управления ре­
гуляторами и исполнительными ме­
ханизмами;
системные комплексы.
Субблоки выполняются на эле­
ментах, различающихся быстродей­
ствием («Спектр-1» — до 10 кГц;
«Спектр-2» до 250 кГц; «Спектр-3»—
более 250 кГц). Аналоговые блоки и
специализированные вычислитель­
ные устройства выполняются на эле­
ментах «Спектр-4». Особо следует
остановиться на системных ком­
плексах КТС ЛИУС, составляемых
из перечисленных выше функцио­
нальных
блоков,
приборов
и
устройств, имеющих отношение к из­
мерительным информационным си­
стемам.
Комплекс
централизованного
контроля с непрерывной цифро­
вой индикацией содержит: блоки
коммутации частотных сигналов
276
БКСЦ-1 и кодоимпульсных сигна­
лов БКСЦ-2 (количество контроли­
руемых величин кратно 16); блок
частотно-цифрового преобразования
(измерения частоты) БПСЦ-1; блок
обмена
информацией
БМЦО-1
(уставки задаются в цифровом ви­
де); преобразователь цифровых ко­
дов (управление электронно-лучевой
трубкой и цифровым регистрато­
ром); электронно-лучевая трубка
5Л038И; блоки питания; регистра­
тор АПМ-ЗМ.
Основные х а р а к т е р и с т и к и
системного комплекса
Погрешность измерения
частоты, % .
0,02
Время измерения, с .
0,05—0,2
Ранг сопряжения .
2Д — радиальные
линии (см. ниже)
Конструктивное исполне­
ние
Типовой напольный
шкаф
Этот комплекс предназначен для
измерения
частотно-модулированных (4—8 кГц, 0,6—2,4 В) сигналов
и ввода цифровых уставок (в дво­
ично-десятичном коде, 16 двоичных
разрядов).
Комплекс
централизованного
контроля отклонений предназначен
для измерения частотно-модулированных сигналов, сигнализации от­
клонений контролируемых парамет­
ров от установленных значений,
цифровой индикации по вызову и
регистрации на перфоленте и бу­
мажной ленте. Состав комплекса:
1) блоки коммутации частот­
ных и информационных сигналов
ЁКС1Д-1, БКСЦ-2 (количество сиг­
налов кратно 16);
2) блок
измерения
частоты
БПСЦ-1 (0,2%, 0,05—0,2 с);
3) задатчики цифровых сигна­
лов П ЗЦ К (по две уставки на кон­
тролируемую величину);
4) блок памяти БНМС-1 на маг­
нитных, сердечниках;
5) цифровой блок сравнения
БМЦС-2;
6) блоки вывода на индикацию
(индикаторы ИН-14 или ИН-12Б)
БВКЦ-1, на сигнализацию БВКЦ-4,
на регистратор
типа 4П-ЗМ —
БВКР, на перфоратор типа ПЛ-80
или ПЛ-150—БВКЛ;
7) блок задания временных ин­
тервалов с кодовым выходом БДВК;
8) блок (местный) обмена ин­
формацией БМЦО-1;
9) блоки питания 2БГ12, 2БПЗ,
2БП4.
Комплекс предусматривает не­
прерывную, периодическую (через
0,06, 0,3, 1, 2, 10, 24 ч) регистрацию
и регистрацию отклонившихся вели­
чин.
Комплекс первичной переработки
информации предназначен для из­
мерения и масштабирования непре­
рывных величин, интегрирования,
вычисления технико-экономических
показателей и обмена информацией
с вычислительными комплексами,
созданными из устройств АСВТ. Со­
став комплекса должен уточняться
в процессе разработки технического
задания. Предполагается, что объем
оперативного
запоминающего
устройства 512 слов, постоянного
1024 слова, длина слова 2 байта,
ранг сопряжения 2А (магистраль­
ная линия) по входу и 2Д между
блоками.
Таким образом, в КТС ЛИУС
представлены блоки, необходимые
для создания контрольно-измери­
тельных систем параллельно-после­
довательного действия с относитель-.
но небольшим количеством контро­
лируемых величин. Особенно следу­
ет отметить тщательность проработ­
ки блоков, оперирующих с частотномодулированнымп сигналами, что
позволяет использовать такие систе­
мы для работы с рассредоточенны­
ми объектами контроля на расстоя­
нии порядка нескольких километров.
В комплексах АСВТ и КТС
ЛИУС имеются три вида унифици­
рованной внутрисистемной связи
[Л. 25-20, 25-22]. С в я з ь п е р в о г о
р а н г а предназначена для весьма
интенсивного обмена информацией.
Сопряжения 1А имеют процессоры,
1Б — внутренние устройства памяти
ВМ, 1В — некоторые типы устройств
внутрисистемной связи. Предусма­
тривается, что в связи первого ран­
га передача информации выполни
ется параллельными посылками
слов длиной в 5 байт по магист­
ральным линиям связи длиной до
10 м. Распределение времени пере­
дачи
информации производится
с помощью приоритетной схемы.
С в я з и в т о р о г о р а н г а име­
ют устройства ввода и вывода, ха­
рактеризуемые менее интенсивным
обменом информации. Передача ин­
формации производится байтами.
Двоичные разряды байта и сопро­
вождающие его служебные сигна­
лы, определяющие назначение пере­
даваемой информации, передаются
параллельно. Сопряжение 2А преду­
сматривает магистральное подсо­
единение устройств после передачи
соответствующего адреса, 2В — ра­
диальное. Связи 2А и 2В обеспечи­
вают асинхронный («запрос — от­
вет») обмен информацией на рас­
стоянии до 100 м. Сопряжение 2Б
предусматривает магистральную ли­
нию связи длиной до 3 км, 2Г — ма­
гистрально-радиальные линии связи.
Связи
третьего
ранга
предусматривают передачу инфор­
мации между устройствами, распо­
ложенными на расстоянии до 15 км
Передача информации предусматри­
вается по трехпроводной кабельной
линии последовательно по одному
двоичному разряду со скоростью
5000 бит/с при вероятном появле­
нии необнаруженных ошибок не
более 10-7.
В КТС ЛИУС используются со­
пряжения преимущественно второго
ранга (но в отдельных случаях мо­
гут быть выполнены связи третьего
ранга).
На рис. 27-1 представлена воз­
можная структура контрольно-изме­
рительной системы с магистральны­
ми каналами, выполненная на КТС
ЛИУС. В этой структуре предусма­
тривается совместная работа с си­
стемой, выполненной на АСВТ.
Связь с АСВТ обеспечивается с по­
мощью блока обмена информацией
БОИ или специального процессора
Рис. 27-1. Структура системы с сопряжением второго ранга.
СП. Магистральная линия связи 2Б
объединяет через блоки связи БСi—
БС16, функциональные преобразова­
тели —П16 и устройства сбора или
приема информации У1—Уi6.
Нужно отметить, что при исполь­
зовании магистральных каналов
связи могут использоваться несколь­
ко методов обмена информацией.
В случае небольшого количества ис­
точников информации можно ис­
пользовать так называемый р ежим
свободной
циркуля­
ции. При этом источники информа­
ции выходят по мере готовности
в магистральный канал связи в со­
ответствии с присвоенным им при­
оритетом. Вначале передается адрес
приемника и в случае его готовно­
сти—необходимая информация. При
большом количестве источников ин­
формации более удобным является
п р о г р а м м н ы й р е ж и м обмена
информацией. Этот режим преду­
сматривает программный опрос го­
товности источников и приемников
информации и передачу информа­
ции.
Информация может передавать­
ся синхронно и асинхронно. В слу­
чае возникновения критических си­
туаций обеспечивается режим рабо­
ты по прерыванию, предусматриваю­
щий временное прекращение работы
БОИ или СП по данной програм­
ме, переключение на работу по
прерывающей программе и в даль­
нейшем продолжение выполнения
прерванной программы.
Цифровая информация при со­
пряжениях 2Б и 2Г передается па278
раллельным кодом длиной до 16
двоичных разрядов (0 — напряже­
ние до 1 В, 1— напряжение от 7,6
до 12,5 В), длительность импуль­
сов— до 200 мкс. При сопряжении
2Б линия связи имеет 40 шин (16
информационных, 16 служебных, 4
шины земли и 4 запасных), при
2Г — имеет 74 шины (из них 16 рас­
пределительной информации, 16 со­
бирательной информации, 16 номе­
ров приборов, 18 служебных, земли
и 4 запасных).
27-2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АСВТ
Перейдем к краткой характери­
стике агрегатной системы средств
вычислительной техники (АСВТ).
Эта система предназначена для
компоновки
информационных
и
управляющих вычислительных си­
стем для различных отраслей на­
родного хозяйства [Л. 25-22, 25-24—
25-30]. АСВТ дает возможность соз­
давать (другие возможности нами
не рассматриваются) весьма важ­
ную разновидность И И С — системы
централизованного контроля (кон­
трольно-измерительные системы па­
раллельно-последовательного дейст­
вия). Отдельные блоки АСВТ, без­
условно, могут быть использованы
при создании других разновидно­
стей ИИС.
Основная номенклатура АСВТ.д
содержит запоминающие устройст­
ва, устройства межранговой связи,
процессоры, устройства ввода и Вы­
вода информации с носителей на
перфолентах и перфокартах, устрой­
ства связи с оперативным персона­
лом, внешние запоминающие устрой­
ства связи с объектом Кроме того,
имеются устройства для управления
исполнительными механизмами ав­
томатики, устройства питания, вспо­
могательные стенды и устройства
и др.
Специализированный процессор
[Л. 25-22, 25-30] был предназначен
для обработки измерительной ин­
формации, вычисления технико-эко­
номических показателей и решения
инженерных задач. Основные харак­
теристики М-1000: длина слова— 16
двоичных разрядов с фиксирован­
ной
запятой;
быстродействие—■
20 000 операций сложения в секун­
ду; внутренняя память — до четы
рех оперативных постоянных или
полупостоянных
запоминающих
устройств; максимальное число под­
ключаемых устройств с сопряжени
ем 2-А— 16, максимальное число
устройств ввода и вывода — 256.
Характеристики
процессоров
М-2000 и М-3000 не рассматривают­
ся, так как эти процессоры предна­
значены для обработки данных в ин­
формационных системах [Л. 25-22].
Помимо
процессора
М-1000
в рамках АСВТ был разработан
специализированный
процессор
М-1010, обеспечивающий необходи
мые связи с основным комплексом
АСВТ-Д.
Следующий этап развития АСВТ,
названный
АСВТ-М
(модели
М-4000, М-5000, М-6000), связан
с использованием интегральных эле­
ментов и более развитым матема­
тическим обеспечением, а также бо­
лее полным по сравнению с АСВТ-Д
составом технических средств ком­
плекса.
Так, комплекс на базе М-6000
(аналог М-1010) имеет развитую
систему ввода и вывода дан­
ных (трансляторы и др.)', приори­
тетные прерывания
память до
65 736 байт, дополнительное унифи­
цированное сопряжение 2К, при ис­
пользовании которого ряд функций
передается процессору [Л. 25-38].
В номенклатуру устройства свя
зи с объектом входят: групповые
преобразователи электрических сиг­
налов термопар, термометров сопро­
тивления и датчиков э. д. с. с по­
грешностью порядка от ±0,4 до
±1% , быстродействием 2—5 точек
в секунду, на 8 и 16 точек, выход­
ные сигналы 0—5 мА; группа АЦП
и
коммутаторных
устройств:
АЦП-HI, погрешность ±0,4%, по­
рог чувствительности 10 мкВ быст­
родействие 500 измерений/с, вход­
ные сигналы 0—5 мА, 0—20 мА, 0—
100 мА, 0—5 В; АЦП-Ч, работает
с выносными преобразователями
ПС-1, частотный диапазон 1,5—
2,5 кГц и 4—8 кГц, погрешность
± 0 4%, время преобразования от 5
до 250 мс, цикл опроса по всем ка­
налам при наличии групповых пре­
образователей не превышает 15 с;
групповое устройство ввода анало­
говых и цифровых сигналов повы
шенной точности А5510 — работает
с сигналами постоянного тока 0—
20 мВ (10 В); 0—5 мА (100 мА),
переменного тока 0—5 мА, 0—2 В,
частотными 4—8 кГц и импульсны­
ми сигналами, при работе с группо
вым фильтром быстродействие 10
точек в секунду, с индивидуальны
ми фильтрами— 100 точек в секун­
ду, погрешность измерения от ±0,15
до ±1,5%; АЦП сигналов низкого
уровня А5230 — сигналы от термо­
пар, термометров сопротивления и
датчиков ЭДС при скорости изме­
рения 50 измерений в секунду, по­
грешность ±0,4%; АЦП повышен­
ного быстродействия А5220 — уни­
фицированные сигналы, погрешность
±0,25%, 5000 измерений в секунду.
Коммутаторные устройства мо­
гут работать как в адресном (от
УВМ), так и в циклическом режи­
мах. Удаленность датчиков от АЦП
(в зависимости от типов датчиков)
от 300 до 1000 м.
В АСВТ-Д унифицированы логи­
ческие элементы и блоки [Л. 25-39].
В качестве базовых приняты потен­
циальные
диодно-транзисторные
элементы МИР-1 трех совместимых
друг с другом по уровням входных
и выходных сигналов модификаций
[70, 700 и 1500 кГц].
Оценивая
возможность
КТС
ЛИУС и АСВТ, можно утверждать,
что они удовлетворяют основным
потребностям промышленного про­
изводства в системах централизо­
ванного контроля. Некоторые блоки
этих систем могут быть использова­
ны при построении других разновид­
ностей ИИС.
Разработчики АСВТ к о д н о й Из
первоочередных задач развития эт о й
системы относят [Л. 25-32] у л у ч ­
шение точности (уменьшить п о г р еш ­
ность д о ±0,01—0,005%) и б ы с т р о ­
действия (до 10е и зм е р е н и й в с е ­
кунду) АЦП Если э т а з а д а ч а бу
дет у сп е ш н о решена, то, видимо,
в ряде сл у ч а ев станет возможным
использование средств АСВТ и при
создании измерительных систем для
автоматизации научных исследова­
ний и испытаний.
27-3 КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
КОМПЛЕКСА КАМАК
Модульный комплекс аппарату­
ры КАМАК (САМАС — Computer
Applications for Measurements ,and
Control) предназначен для создания
ИС с цифровой обработкой измери­
тельной информации [Л. 25-35,
25-43]. Он разрабатывался между­
народным комитетом ESONE Евра­
тома, объединяющим усилия 26 на­
учно-исследовательских лаборато­
рий, главным образом ядернрго при­
боростроения, ряда стран Европы.
В настоящее время КАМАК приме­
няется для научного эксперимента
не только в ядерной физике, но и
в биологии и других науках.
Основанный, так же как и ком­
плексы ГСП, на информационной,
конструктивной и метрологической
совместимости функциональных мо­
дулей, комплекс КАМАК имеет ряд
особенностей. Он предусматривает
объединение в одном каркасе до' 24
функциональных модулей, совмест­
ную работу которых обеспечивает
280
блок управления, и функционирова­
ние 1—7 каркасов по магистрально­
му каналу данных с общим магист­
ральным (главным) блоком управ­
ления.
'<
Связь с ЦВМ обеспечивается че­
рез блок управления каркаса, а при
одновременной работе нескольких
каркасов — через
магистральный
блок управления. Имеется возмож­
ность связи каркаса :с ЦВМ через
какой-либо функциональный блок.
Внутри каждого каркаса обеспе­
чиваются централизованное питание
±24 и ± 6 В и обмен информацией
между функционадьными блоками и
блоком управления по 86 парал­
лельным шинам.
Канал данных, являющийся со­
ставной частью структуры каркаса,
обеспечивает передачу информации
форматами до 24 бит между блоком
управления и модулями и обратно,
а также сигналов заявок от моду­
лей. Цикл передачи данных равен
10_6 с. Магистраль данных, обслу­
живающая каркасы, также обеспе­
чивает передачу информации фор­
матами по 24 бит.
Модули, входящие в каркас, мо­
гут соединяться с внешними устрой­
ствами через разъемы, установлен­
ные на передних панелях модулей.
В КАМАК регламентируются
способы сочленения механических
частей, принципы соединения моду­
лей с каналом данных каркаса и
блоком управления, порядок обме­
на информацией по каналу данных,
а также предпочтительные аналого­
вые и цифровые сигналы для внеш­
них связей модулей.
Функциональные модули КАМАК
делятся на пять основных групп.
К первой группе — выходных моду­
лей — ртн0сятся АЦП, устройства
приема цифровых и сигнальных
данных,, счетчики, синхронизаторы.,
Ко второй группе относятся выход­
ные модули, управляющие соленои­
дами, двигателями, печатающими и
перфорирующими
устройствами,
цифровыми и аналоговыми индика­
торами и т. п.
К третьей группе относятся со­
единительные модули, магнитные
устройства памяти, телетайпы ит. д.
К четвертой группе — быстродейст­
вующие коммутаторы аналоговых
сигналов (с ключами на униполяр­
ных транзисторах) усилители с из­
меняемым коэффициентом усиления,
пороговые дискриминаторы и т. п.
Наконец, к пятой группе относят­
ся преобразователи двоичного вдвоично-десятичиый код, устройства
умножения и деления, арифметиче­
ские устройства, работающие с пла­
вающей запятой.
Разработаны блоки управления
комплекса КАМАК, сопрягаемые и
не сопрягаемые с ЦВМ, с ручным,
программным управлением и управ­
лением от ЦВМ.
Проведены значительные работы
по созданию, программного языка
КАМАК, определяющего объект
(АЦП, коммутатор, синхронизатор
и т. д.), действие, которое нужно
предпринять (например, «считать
текущее
значение
информации
в ячейке памяти», «прекратить связь
с внешней средой» и т. п.), сигналы
заявок, приоритетов, прерываний
и т. п.
Разработчики КАМАК не обос­
новывают создание и использова­
ние комплекса в стоимостном выра­
жении, ограничиваясь качественной
оценкой его достоинств и недостат­
ков [Л. 25-41].
Модульный принцип построения
комплекса позволяет обеспечить
гибкость объема создаваемых си­
стем и их конфигурации, невысокую
стоимость разработки дополнитель­
ных устройств, рациональное по­
строение документации, сокращен­
ное время проектирования конкрет­
ной системы, низкую стоимость диа­
гностики повреждений и ремонта,
высокое качество устройств. В тоже
время необходимо отметить крупные
вложения средств в разработку и
производство устройств комплекса
(на 1971 г по данным [Л. 25-41]
в разработку КАМАК вложено око­
ло 1 млн. фунтов стерлингов), срав­
нительно высокую стоимость кон­
кретных систехМ, отказ от частных
схемных решений.
Конструктивные
особенности
КАМАК позволяют обеспечить: ком­
пактное размещение модулей, при­
соединение большого количества
внешних устройств, связь со всеми
модулями системы и одновременное
выполнение нескольких команд, про­
стоту устройства модулей за счет
увеличения сложности ограниченно­
го числа блоков управления, неза­
висимость от типа ЦВМ, использо­
вание общей техники программиро­
вания независимо от области при­
менения конкретных систем.
С другой стороны, комплекс
КАМАК мало подходит для созда­
ния ИС с небольшим количеством
внешних входных и выходных
устройств, в которых звездообраз­
ная (радиальная)
конфигурация
может быть рациональней магист­
ральной, не всегда оправдана па­
раллельная магистраль данных фор­
матом 24 бита.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ' ВОСЬМАЯ
АГРЕГАТНЫЙ КОМПЛЕКС СРЕДСТВ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ (АСЭТ)
Наиболее полно удовлетворить
промышленное производство и на­
учный эксперимент в измерительных
информационных системах должен
агрегатный комплекс средств элек­
троизмерительной техники (АСЭТ)
[Л. 25-33, 25-34].
Структура АСЭТ показана на
рис. 28-1. Система состоит из рацио­
нальных рядов функционально и
Рис. 28-1. Структура АСЭТ.
I — устройства сбора и преобразования информации; / / —т устройства измерения и представления
информации; III — устройства обработки и хранения информации; /У — устройства управления и фор­
мирования управляющих воздействий; V — вспомогательные устройства;
V7 — автономные приборы и
устройства.
конструктивно законченных уст­
ройств. Каждый из рациональных
рядов является совокупностью одно­
типных по выполняемым функциям
устройств, различающихся основны­
ми характеристиками. Состав ра­
циональных рядов при этом выбира­
ется оптимизацией экономического
критерия, связывающего стоимость
унифицированных устройств с объ­
емом
серийного
производства
[Л. 25-34]. Естественно, что при соз­
дании рациональных рядов преду­
сматривается удовлетворение повы­
шенных требований к метрологиче­
ским и эксплуатационным характе­
ристикам устройства.
Элементной базой АСЭТ являют­
ся преимущественно модульные и
микромодульные элементы общего
применения и специальной разра­
ботки.
Метрологическое
обеспечение
АСЭТ предусматривает критерии и
методы нормирования метрологиче­
ских характеристик устройств АСЭТ,
методы и средства аттестации и по­
верки устройств АСЭТ при проек­
тировании, производстве и эксплу­
атации.
К устройствам сбора и преобра­
зования информации АСЭТ в пер­
вую очередь относятся первичные и
унифицирующие измерительные пре282
образователи электрических и маг­
нитных величин, электрические из­
мерительные преобразователи (уси­
лители, функциональные преобразо­
ватели постоянного тока, модулято­
ры), коммутаторы (аналоговых и
цифровых сигналов), преобразова­
тели цифровых кодов и цифро-ана­
логовые преобразователи.
К устройствам измерения и представления информации относятся
аналого-цифровые преобразователи
(постоянных и переменных токов и
напряжений; сигналов ЧМ, ШИМ,
АИМ, электрического сопротивле­
ния, линейных и угловых перемеще­
ний) и электроизмерительные при­
боры (аналоговые и цифровые, по­
казывающие и регистрирующие,
в том числе одномерные и много­
мерные построители).
В рамках АСЭТ прорабатывают­
ся достаточно детально регистриру­
ющие средства и их выполнение
9 одном приборе с кодирующим и
декодирующими
устройствами,
в [Л. 25-35] приводится 0Иисание
устройств графической регистрации
и кодирования графической инфор­
мации с целью последующего ввода
данных в ЦВМ.
Средства обработки и хранения
информации, управления и внешних
воздействий объединяют. устройства
дискретизации, определения обла­
стей исследуемого сигнала, сжатия
данных, определения величин, функ­
ционально связанных с измеряемы­
ми, выбора метода измерения, по­
вышения помехоустойчивости, кор­
рекции характеристик аппаратуры,
программные устройства, аналого­
вые и цифровые специализирован­
ные вычислительные и запоминаю­
щие устройства и др.
Рис. 28-3. Один канал ИИС параллельного
действия с использованием АСЭТ.
С использованием унифициро­
ванных устройств АСЭТ можно со­
здать параллельно-последователь­
ные системы с коммутаторами (на
рис. 28-2 показана типовая схема
таких систем), а также многока­
нальные системы, содержащие не­
сколько контрольно-измерительных
каналов, аналогичных представлен­
ному на рис. 28-2. Связь отдельных
каналов с ЦВМ в такой системе мо­
жет осуществляться с помощью
группового коммутатора цифровых
кодов, также входящего в АСЭТ.
Устройства АСЭТ позволяют соз­
давать и контрольно-измерительные
системы параллельной структуры.
Эти системы могут быть построены
на аналоговых и цифровых устрой­
ствах (рис. 28-3, 28-4). Аналоговые
системы могут быть основаны на
использовании комплексов аналого­
вых контрольно-измерительных при­
боров (см. гл. 20). Системы второго
типа могут создаваться, например,
на базе цифровых щитовых измери­
тельных приборов, дополненных
дискриминаторами и трансляторами
(см. § 20-1). В гл. 20 отмечалось,
что САК параллельного действия
обладают простотой и повышенной
надежностью, а по стоимости на од­
ну контролируемую величину (при
небольшом числе величии) могут
конкурировать с системами' парал­
лельно-последовательного типа.
Обширная номенклатура уст­
ройств аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования, дис
кретизации и сжатия данных, обра­
ботки, коррекции ит. п. существенно
расширяет функциональные воз­
можности реализации ИИС па сред­
ствах АСЭТ по сравнению с други­
ми комплексами. В случае ввода
информации из ИИС в ЦВМ нали­
чие этих устройств, осуществляю
щих, так сказать, первичную массо
'в ую обработку информации по от­
носительно простым алгоритмам,
позволяет высвободить ЦВМ д л я
284
более сложных задач. В этом смыс­
ле при создании сложных информа­
ционно-вычислительных систем воз­
можно весьма удачное сочетание
комплексов АСЭТ и АСВТ.
Комплекс АСЭТ, устройства ко­
торого отличаются от устройств дру­
гих комплексов ГСП лучшими ме­
трологическими характеристиками и
охватывают более широкую номен­
клатуру (по АЦП и устройствам
предварительной обработки инфор­
мации в первую очередь), может
быть использован при создании САК
технологических процессов сложно­
го оборудования, систем испытания
объектов новой техники и автома­
тизации поверочных работ- Для
удовлетворения запросов систем
автоматизации н а у ч н о го эксперимен
та по видам измеряемых величин и
метрологическим характеристикам
комплекс АСЭТ должен пополнить­
ся новыми разработками.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ДЁВЯТАЯ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ ГСП ПРИ СОЗДАНИИ ИИС
Возможность
совместного ис­
пользования отдельных устройств из
состава различных комплексов ГСП,
как уже говорилось, обеспечивается
их единой метрологической, инфор­
мационной, эксплуатационной и кон­
структивной базой. Это обстоятель­
ство позволяет при создании кон­
кретных ИИС кроме устройств агре­
гатных комплексов АСКР, АСВТ и
АСЭТ использовать также устройст­
ва из следующих комплексов ГСП:
первичные измерительные пре­
образователи для химического и фи­
зического анализа веществ и смесей
(измерение влажности, прозрачно­
сти, концентрации, анализа химиче­
ского состава и т. п.) из АСАТ;
первичные измерительные преоб­
разователи механических величин
(силы, момента, перемещений, ско­
рости, ускорения, виброперемеще­
ний, вязкости, пластичности и
т\п.) — из АСИП;
первичные преобразователи и
устройства, предназначенные для
измерения
массы, — из
АСИМ
[Л. 25-37];
устройства для измерения теку­
щего времени или интервалов вре­
мени, а также управляющие устрой­
ства хронометрической техники —
из АСХТ;
устройства регистрации и доку­
ментирования — из АСПИ.
В качестве отдельных ветвей агре­
гатных комплексов ГСП создаются
унифицированные системы устройств,
предназначенные, например, для кон­
троля определенных типовых объ­
ектов {Л. 25-36] или объединяющие
однотипные устройства [Л. 25-35].
В качестве примера относитель­
но простых унифицированных си­
стем рассмотрим систему дистанци­
онного контроля основных величин
в дизелях [Л. 25-36]. Назначение
системы связано с предупредитель­
ной сигнализацией, выдачей сигна­
лов на аварийную защиту, а также
для измерения контролируемых ве­
личин выборочным путем. Разрабо­
танная система обеспечивает конт­
роль температуры от 0 до 8000 °С,
числа оборотов от 0 до 4000 об/мин,
давления от 0 до 80 кгс/см2, уровня
от 50 до 5000 мм. В качестве датчи­
ков используются термопары и тер­
мометры сопротивления стандарт­
ных градуировок, синхронные гене­
раторы нескольких модификаций
(в зависимости от пределов измере­
ния и способов соединения с ва­
лом), датчики давления типа ЭМДУ.
В качестве унифицированного сиг­
нала используется постоянный ток
от 0 до 5 мА (ГОСТ 9895-61). Типо­
вой структурой (рис. 29-1) преду­
сматривается возможность подклю­
чения датчиков каждой величины
через унифицирующие преобразова­
тели к сигнализаторам. Нормализу­
ющие преобразователи имеют не­
сколько модификаций: ПСТ-196-OI
(до 05), ПЧТ-016, ПЧН-016. В ка­
честве показывающего прибора ис­
пользуется
амперметр
М-160/2.
В комплект унифицированных уст­
ройств входят табло сигнализации
ТС-035, ТС-045, соединительные ко­
робки КС, кнопочные переключате­
ли ПК-065, коробки реле — комму­
таторы КР-015 и КР-025 на 10 и 20^
Рис. 29-1. Типовая структура САК основ­
ных параметров дизелей.
электромагнитных реле, блок пита­
ния БП-016 и преобразователь по­
стоянного напряжения в перемен­
ный ток ПН-014. Из указанных бло­
ков могут быть собраны разнооб­
разные по набору и количеству кон­
тролируемых величин системы кон­
троля дизелей.
В заключение этой главы сле­
дует остановиться на некоторых об­
щих соображениях по поводу внед­
рения в жизнь агрегатных комплек­
сов ГСП.
Конечно, агрегатные комплексы
ГСП будут в дальнейшем совершен­
ствоваться. Видимо будут уточнять­
ся состав существующих агрегат­
ных комплексов, номенклатура ря­
дов устройств, входящих в комплек­
сы, совершенствоваться элементная
база (интегральные схемы, опто­
электроника и т. п.) и технология
изготовления устройств комплексов.
Особое внимание должно быть уде­
лено, по нашему мнению, совершен­
ствованию первичных измеритель­
ных преобразователей и образцовых
мер. Недостаточно сейчас представ­
лены в рамках ГСП также техниче­
ские средства
метрологического
обеспечения (поверочные установки
и т. п.).
Проведение в жизнь технических
идей ГСП и УРС существенно изме­
нит содержание труда проектиров­
щиков
автоматических
систем.
Центр тяжести этого, труда будет
перенесен на решение системотехни­
ческих задач, связанных с разработ­
кой математических моделей иссле­
дуемого или управляемого объекта,
обоснованием технических условий
на систему, выбором оптимального
(в заданном смысле) варианта си­
стемы, анализом режимов работы,
алгоритмизацией процессов управ­
ления, математическим обеспече­
нием работы системы и т. п.
Нужно подчеркнуть, что в ГСП
не предусматривается изготовление
законченных измерительных инфор­
мационных систем в виде, например,
МЦК с фиксированным количеством
контролируемых величин. Предпо286
лагается, что системы будут компо­
новаться из унифицированных узлов
агрегатных комплексов ГСП. В этом
смысле с введением агрегатных
комплексов ГСП отпадет существу­
ющее ныне деление, например, МЦК
по выпускаемым типам машин
(МАРС, «Зенит» и т. п.).
Для выполнения работ, связан­
ных с созданием новых ИИС, в ру­
ки проектировщиков должны быть
даны сответствующие нормативные
и методологические
материалы,
а также подробные каталожные
данные по всем агрегатным комп­
лексам ГСП. Разработка дополни­
тельных устройств (не охватывае­
мых ГСП) при проектировании но­
вых систем будет сводиться к мини­
муму. Очевидно, такую работу целе­
сообразно выполнять по заказам
в организациях, специализирующих­
ся на проектировании и выпуске
соответствующей продукции. Одна­
ко для удобства потребителей долж­
ны быть разработаны типовые струк­
туры систем и соответствующие им
наборы элементов для наиболее ча­
сто встречающихся (типичных) за­
дач
различной
функциональной
сложности.
Наконец, необходимо отметить,
что при создании ИИС, особенно
ИС, предназначенных для получе­
ния обобщенных или разделенных
характеристик взаимосвязанных ве­
личин (см. ч. 2, разделы Б, В), мо­
гут с успехом использоваться малые
вычислительные машины, а также
УВМ (см. гл. 22) совместно с функ­
циональными блоками агрегатных
комплексов ГСП.
Приведем краткую характери­
стику [Л. 25-47] малой вычисли­
тельной машины «Электроиика-100»;
система счисления для числа и ко­
манд— двоичная; разрядная сет­
ка — 12 двоичных разрядов; система
команд — одноадресная; быстродей­
ствие— 250000 операций в секунду;
время цикла обращения к памяти —
2 мкс; ввод исходных данных про­
изводится с пульта управления,
с перфоленты (7 строк/с) иклавиату-
ры цифропечатающего механизма;
вывод результатов из машины — на
цифропечатающий механизм (10
строк/с)
и на перфоратор (16
строк/с) емкость внутреннего опе­
ративного накопителя 4094 12-разрядных чисел; для ввода и вывода
из машины используются 7-разрядные коды; контроль работы машины
производится с помощью тестовых
программ; габариты машины 860Х
Х570Х545 мм; масса 100 кг.
В комплект машины входят
арифметическое,
запоминающее
устройства пульт управления и
устройство управления
Арифметическое устройство со­
стоит из двух 12-разрядных регист­
ров сумматора и дополнительного
разряда сумматора. Запоминающее
устройство состоит из магнитного
оперативного
запоминающего
устройства на ферритовых сердеч
никах, буферного регистра памяти
и регистра адресов памяти.
При проектировании и организа­
ции работы ИС с ЭВМ полезно ис­
пользовать материалы [Л. 25-48].
ЗАКЛЮ ЧЕ Н ИЕ
В создании новых ИИС участ­
вует большое количество нучно-тех
нических коллективов. Правильная
организация проектирования ИИС
в них бесспорно имеет большое на­
роднохозяйственное значение. В Со­
ветском Союзе и за рубежом уделя­
ется большое внимание рациональ­
ной организации проектирования
объектов новой техники [Л. 3-1 —
3-5]. В некоторых высших учебных
заведениях США читаются курсы
по основам инженерного проектиро­
вания (см. например, [Л. 3-3]).
В связи со сказанным полезно сде­
лать несколько замечаний по проек­
тированию ИИС.
Основная задача проектирова­
ния ИИС связана с разработкой
систем, обеспечивающих оптималь­
ное в определенном смысле выпол­
нение поставленных требований при
ограничениях (стоимость, время, на­
личие знаний и пр.)., налагаемых на
решение [Л. 3-3].
Анализ последовательности про­
ектирования систем показывает, что
целесообразно
различать
этапы
внешнего и внутреннего проектиро­
вания систем.
Внешнее проектирование в riepвую очередь охватывает обоснова­
ние требований к системе и обобще­
ние сведений об объекте исследова­
ния. На этом этапе определяется
назначение системы, уточняются це­
ли измерения, контроля и т. п., т. е.
основные величины, определение ко-
торых в конечном счете является
задачей исследования [Л. 3-6]; эти
величины, естественно, являются
выходными величинами системы.
Обосновываются основные метроло­
гические характеристики выходных
величин системы.
Изучается объект исследования
(измерения, контроля, диагностики,
опознания образов). При таком изу­
чении выясняется, какая информа­
ция об объекте известна, а какая
неизвестна (доступна или недоступ­
на для получения), каковы внешние
шумы и возмущения и другие осо­
бенности объекта, создается или
уточняется математическая модель
объекта, необходимая для успешно­
го проектирования системы.
Производится уточнение вход­
ных величин системы. Необходимо
учитывать, что во многих случаях
(например, при необходимости по­
лучения количественной информа­
ции, являющейся функцией от не­
скольких величин) невозможно не­
посредственно измерить величины,
которые необходимо получить на
выходе системы. Тогда возникает
задача определения вспомогатель­
ных величин, подлежащих непосред­
ственному измерению, контролю и
т. д. Полнота имеющейся при этом
математической модели существен­
но влияет на правильное решение
перечисленных вопросов. С этой за­
дачей связано планирование изме­
рительного эксперимента, определя-
ющее рациональное использование
проектируемой системы (см. гл. 4).
Уточняются ограничения, накла­
дываемые на проектируемую систему
(стоимость, размеры, масса, эксплу­
атационные особенности, время го­
товности и др.). В заключение вы­
ясняется, почему не удовлетворяют
.заданным требованиям существую
щие решения, существующие си­
стемы
На основании данных, получен­
ных при внешнем проектировании
системы, составляются технические
условия на новую систему В тех­
нических условиях, как правило, не
должно предусматриваться реше­
ние, определяющее принципы реа­
лизации системы. Конечно, при со­
ставлении технических условий воз­
можные технические решения могут
быть обсуждены, но окончательный
их выбор и обоснование произво­
дятся на последующем этапе проек­
тирования системы.
Ввиду важности внешнего про­
ектирования системы целесообраз­
но, чтобы этот этап выполнялся сов­
местно специалистами, которые бу­
дут проектировать и использовать
систему.
Этап внутреннего проектирова­
ния направлен преимущественно на
синтез системы, удовлетворяющей
поставленным техническим услови­
ям. Этот~этап в первую очередь свя­
зан с рассмотрением, расчетом и со­
поставлением ряда возможных ва­
риантов технических реализаций.
На этом этапе осуществляется по­
следовательное приближение к вы­
бору наилучшего в данном случае
варианта принципа действия систе­
мы. При этом используются как
эвристические [Л. 3-3], так и точ­
ные (количественные) методы син­
теза.
Особого внимания на этапе
внутреннего проектирования заслу­
живает выбор критериев оценки и
оптимизации основных характери­
стик системы (см. гл. 2 и 3).
1
Обычно ИИС удается расчле­
нить на более простые подсистемы.
288
В частности, нередко удается выде­
лить проектирование одного канала
сбора и преобразования информа­
ции, а затем учесть особенности сов­
местной работы нескольких таких
каналов (включая взаимные влия­
ния каналов и др.). При проектиро­
вании новых ИИС важное, а подчас
решающее влияние на принцип дей­
ствия системы оказывает определе­
ние величин, подлежащих измере­
нию, и методов восприятия и изме­
рения
этих величин. Особенно
большие затруднения обычно встре­
чаются при отсутствии средств вос­
приятия измеряемых или контроли­
руемых величин.
Следует- подчеркнуть важность
проведения на этом этапе матема­
тического моделирования вариантов
системы на цифровых и аналоговых
вычислительных машинах. Этому
вопросу посвящена специальная ли­
тература, которая может быть ис­
пользована
при проектировании
ИИС '[Л. 3-7—3-12, 3-19]. Но в то
же время нужно отметить, что мето­
ды математического моделирования
при создании ИИС применяются
в настоящее время недостаточно.
Здесь предстоит большая работа
по созданию типовых программ,
позволяющих моделировать -наибо-лее часто встречающиеся при про­
ектировании ИИС системные во­
просы.
Во внутреннее проектирование
входит также конструирование ма­
кета системы, включающее расчет
и разработку схемных и конструк­
тивных решений, определение воз­
можности использования унифици­
рованных (см. ч. 4) блоков и уст­
ройств, выявление элементов систе­
мы, требующих специальной разра­
ботки.
• Затем должен быть составлен
эскизный проект системы, проведе­
ны изготовление, испытание и оцен­
ка действующего макету системы.
Роль экспериментальны^ исследо­
ваний созданного макета велика:
они позволяют оценить правиль­
ность принятых при аналиае и рас­
чете системы допущений оценить
соответствие полученных и задан­
ных техническими условиями харак­
теристик системы.
В процессе проектирования на
званные этапы обычно взаимосвяза­
ны, они не бывают жестко выделен- f
>ными; часто к предыдущим этапам
приходится вновь
возвращаться
после выполнения последующих.
Выполнение рабочего проекта и
изготовление опытного образца за­
вершают работу над созданием но­
вой ИИС.
Обычно по мере последователь­
ного перехода от внешнего проекти­
рования к этапам внутреннего про­
ектирования увеличивается коллек­
тив, появляется в связи с этим не­
обходимость в тщательной органи­
зации коллективной работы (поло­
жим, с применением сетевых графи­
ков и т. п.).
Заканчивая книгу, в которой от­
ражено в какой-то мере современ­
ное состояние принципов построения
ИИС ближнего действия, уместно
остановиться на перспективах их
развития и попытаться наметить
важные, по мнению автора, задачи,
подлежащие решению в будущем.
В . первую очередь можно выде­
лить круг задач, связанных с совер­
шенствованием основных метрологи­
ческих, эксплуатационных, экономи­
ческих характеристик ИИС в рам­
ках функций, выполняемых ныне
существующими системами. Даль­
нейшее повышение точности, быст­
родействия, чувствительности, на­
дежности, уменьшение стоимости,
улучшение других характеристик
ИИС, видимо, относятся к таким за­
дачам. Современная техника реали­
зации ИИС далека от достижения
предельных значений этих характе­
ристик (которые, кстати, строго еще
не определены) и можно предпола­
гать, что в ближайшее время будет
интенсивно проводиться работа по
их улучшению.
К этому же классу задач можно
отнести разработку более современ­
ных методов проектирования ИИС
19—741
с заданными характеристиками ба­
зирующихся, с одной стороны, на
развитии теории ИИС и применении
современной вычислительной техни­
ки, с другой — на всемерном исполь
зовании устройств входящих в аг­
регатные комплексы ГСП и УРС
(в том числе построенных на совре­
менных интегральных схемах).
Нет никакого сомнения, что ре­
шение перечисленных задач опреде­
лит во многом перспективное разви­
тие ИИС, более широкое их приме­
нение в народном хозяйстве и на­
учных исследованиях.
В то же время существуют про­
блемы, решение которых может су­
щественным образом повлиять на
дальнейшее развитие теории и прак­
тики ИИС, определить их далекую
перспективу. Остановимся лишь на
некоторых из перспективных про­
блем.
Прогнозируя развитие ИИС, сле­
дует обратить вниманием в первую
очередь на возможность расшире­
ния выполняемых ими функций и
связанных с этим обстоятельством
изменением состава функциональ­
ных устройств и структур ИИС.
Представляется,* что дальнейшее
развитие должны получить системы,
выполняющие измерение и контроль
при отсутствии сведений или при
приближенном знании о виде иссле­
дуемых величин и характере взаи­
мосвязей между ними [Л. 3-13].
Анализ информативности отдельных
величин и измерение наиболее ин­
формативных; адаптация к динами­
ческому, частотному диапазонам
исследуемых величин с-целью полу­
чения цх количественной оценки и
необходимых метрологических ха­
рактеристик; выполнение измерений
взаимосвязанных величин или от­
дельных составляющих (при отсут­
ствии заранее известных зависимо­
стей между отдельными их состав­
ляющими) с применением обучае­
мых или самообучающихся систем;
эффективное восприятие и количест­
венное описание не отдельных зна­
чений исследуемой величины, а не­
которой совокупности (поля, про­
странства) исследуемых величин —
вот далеко не полный перечень то­
го, что, видимо смогут выполнять
будущие ИИС
В решении перечисленных про­
блем немаловажное значение будут
иметь, во-первых, осмысливание
работы биологических анализатор­
ных систем — прототипов ИИС в жи­
вой природе — и исследование воз­
можностей перенесения в ИИС име­
ющихся там полезных и новых для
техники структурных, функциональ­
ных и, возможно, элементных реше­
ний, а во-вторых — привлечение ма­
лоиспользуемых ныне в ИИТ, а так­
же разработка новых средств и ме­
тодов
восприятия
исследуемых
величин.
Полезные для совершенствова­
ния ИИС пути исследования биоло­
гических
анализаторных
систем
в первую очередь должны быть на­
правлены на изучение механизмов
рецепции и структурно-функцио­
нальной организации перифериче­
ских рецепторных нейронных сетей
воспринимающих поля исследуемых
величин. Внимания заслуживают
принципы одновременной работы
большого количества рецепторов, со­
четание в рецепторной нейронной
сети свойств восприятия, усиления
и обработки сигналов (выделение
контуров, градиентов, экстремаль­
ных значений, наиболее быстроизменяющихся участков) адаптация
и т. п.
Другое направление — это изу­
чение принципов организации ней­
ронных ансамблей и промежуточ­
ных нервных центров биологических
анализаторных систем поиски но­
вых методов их формального описа­
ния с целью создания технических
устройств, обладающих свойствами
классификации
входной
инфор­
мации, обучаемости, перераспре­
деления
выполняемых • функций
и т. п.
Более подробно эти задачи рас­
смотрены в [Л. 3 14—3-17].
Заметим,
что применительно
к решению задач ‘обработки инфор­
мации в {Л. 3-18] показаны по­
лезные технические приложения
моделей нейронных сетей и ней­
ронов.
Перспективы развития ИИС во
многом будут определяться также
расширением использования таких
методов и средств восприятия ис
следуемых величин, как оптоэлект­
рические, радиоволновые, рентгено­
структурные. Необходимо проделать
большую работу по систематизации
и обобщению известных физических
явлений, которые используются или
могут быть использованы для вос­
приятия исследуемых величин. Тре­
буется провести анализ потенциаль­
ных возможностей -метрологических
характеристик этих явлений.
Получение новых результатов
в области создания ИИС бесспорно
имеет большое научное и народно­
хозяйственное значение.
ПРИЛОЖ ЕНИЯ
П Р И Л О Ж Е Н И Е
1.
О сновны е условны е о б озн аен и я
X — и зм ер я ем а я
т р о л и р у ем а я
чина;
или кон­
вел и ­
Y — внеш ний
ф актор (в
ч астн ом
сл у ч а е —
м еш аю щ ая
величи­
н а );
Z — р езу л ь т а т изм ер ен ия;
х, у, z — т ек ущ и е
зн ачени я
ил и р еа л и за ц и я с л у ­
чайны х величин X,
Y, Z;
x(t), x(l), y(t), у(1) — р еал и зац и и X , У, и з­
м ен я ю щ и еся во в р е­
м ен и или р а с п р е д е ­
ленн ы е в п р ост р ан ­
стве;
Х = {АГг}— сов ок уп н ость
чин;
в ел и ­
X, F , Z — уср едн ен н ы е
зн а ч е ­
ния
Е,
Статистические характеристики
М —математическое ожи­
дание;
D — дисперсия;
F, f — функция и плотность
распределения
ве­
роятностей;
Я, р — корреляционная и
нормированная кор­
реляционная функ­
ции;
G, g — спектральная и нор­
мированная
спект­
ральная -плотности;
р — вероятность;
М*, D*t F*, f*t R*y р *, G*, q * — оценки со­
ответствующих ста­
тических характери­
стик.
Информационные характеристики
величин;
е, б , а , у , £ — п огреш н ости
и зм ер е­
ния, контроля;
L, I— конечны е
интервалы
и
тек ущ и е
зн а ч е­
ния ли н ей н ого р а с ­
стоян и я;
т — врем я
зап азд ы в ан и я
•(за д ер ж к и );
N — кон еч н ое
кол ичество
и н тер в ал ов
н абл ю ­
ден и я .
Н — энтропия;
/ — количество информации;
Я — скорость получения информации;
С — пропускная способность.
П р и м е ч а н и я : 1. Перечисленные ус­
ловные обозначения часто употребляются
с соответствующими индексами.
2. Некоторые буквы используются в
книге для нескольких различных величин,
что объясняется общепризнанным приме­
нением этих букв в соответствующих обла­
стях.
3. Условные обозначения, имеющие ча­
стный характер, объясняются по тексту.
П Р И Л О Ж Е Н И Е
У сл овн ы е о б о зн а ч ен и я
в стр ук тур н ы х с х ем а х изм ер ительны х и н ф орм ац ион ны х систем
Е д и н а я си с т е м а к он стр ук тор ск ой д о к у ­
м ен та ц и и
-(Е С К Д )
о б ъ ед и н я ет
-государ­
ств ен н ы е ста н д а р т ы на усл овн ы е -графиче­
ск и е
о б о зн а ч ен и я и пр авила
вы полнения
с х е м д л я в сех отр а сл ей н а р о д н о го х о з я й ­
с т в а . П о л о ж ен и я , у стан ав л и в аем ы е
стан ­
д а р т а м и , н е м о г у т п р ед усм от р еть м н о го ­
о б р а з и я п р ак ти ч еск и х за п р о со в , осо б ен н о
есл и
уч есть
непреры вны й
р ост
техники
и
п о я в л ен и е у стр о й ств , основан н ы х на новы х
т ех н и ч еск и х п р и н ц и п ах. В ч астности, в д е й ­
ствую щ их
19*
стандартах
2.
от су т ств у ет
н ор м а-
тивный д ок ум ен т , в к отор ом со д е р ж а л и сь
бы в к ом пактн ом в и де условны е о б о зн а ч е ­
ния, н еобход и м ы е д л я сост ав л ен и я стр ук ­
турн ы х и ф унк цион альн ы х схем и зм ер и ­
тельны х и н ф орм ац и он н ы х
систем .
Ввиду
этого п ол езн о д ать список усл ов н ы х гр а ф и ­
ческих обозн ачен и й , и сп ол ь зуем ы х в книге.
П ри составлении этого спи ск а и сп о л ь зо в а ­
лись ук азан и я Е С К Д
(«О бозн ач ен и я у с ­
ловны е гр аф и ческ ие в схем а х » , М ., >1970)
и приняты е в си стем е У Р С С Э В гр аф и че­
ские об о зн а ч ен и я ( S y m b o lk a t a lo g , L e ip zig ,
•1970).
Элементы, приборы и
устройства
Датчик (чувствительный
элемент)
Сигналы
Аналоговый
Ампллтудно-модулированный
Частотно-*! одулированный
rfi,
ю
-
Преобразователь
Фазо-модулированный
Преобразователь с унивыхофицированным
дом
Импульсный прямоуголь­
ный
_П_ т г
Импульсный
ный
АТ
Показывающий прибор
Л
Регистрирующий
остроуголь­
Пилообразный
прибор
Перепад напряжений
I
Импульсный, амплитуд­
ная модуляция’
Импульсный,
модуляция
частотная
Импульсный,
модуляция
широтная
Импульсный,
модуляция
фазовая
Импульсный, кодовая модуляция
Цифровой код
Непрерывная
ция
А
.
Л
.
регистра­
Цифровая регистрация
_Н =
Переключающее устрой­
ство циклическое
-s R s ?
Переключающее устрой­
ство
циклическое с'
управлением от им­
пульсного генератора
_Г Ш -
#
Матричное переключаю­
щее устройство
Род тока
Постоянный ток
Диодная матрица
Переменный ток (низкие
частоты)
r \j
Схема управления
Переменный ток
ние частоты)
(сред­
JN/
Устройство памяти
Переменный ток (высокие частоты)
Пиния задержки
д а
Устройство памяти на
ферритовых сердечни­
ках
S
Часы вторичные (часы,
минуты секунды)
v
/Л/
Фильтр йижних частот
Регулятор
Фильтр верхних частот
Фазовращатель
Полосовой фильтр
Вычислительное звено
Ю
Подавитель
высокоча­
стотных помех
fs
Умножение f на коэффи­
циент
п,
изменяемый
плавно
Устройство вывода
перфоленту
на
> «
Преобразователь
кода
(двоичного
пятираз­
рядного в семиразряд
ный)
Устройство вывода
перфокарту
TZT
на
->—о■ЩГ
У стройство элек тр охи м и ­
ческой регистрации
^четчик импульсов
ES L
Счетчик
импульсов
с
цифровой индикацией
Регистр
Мультивибратор
Ограничитель
ния
ZSL
^
Генератор импульсов
да
Р
Г
jx n .
"4напряже­
У стройство
мической
Магнитограф
—
Фоторегистратор (на фотопленку)
__^ j f n
У
О—D
Воспроизводящее
уст­
ройство с м ехани че­
ской головкой
X
Ц и ф р ов ой
Устройство сравнения
Пороговое устройство
Часы первичные
мйнуты)
(часы ,
V
П ЕТ
электротер­
регистрации
ин дикатор
Р езу л ь т а т к он троля (в н у ­
три к в а д р а т а или к р у ­
га)
V
У стр ой ств о
умножения
о
-^0
d
сг~о 1
ф
Каналы связи
Устройство деления
Устройство
ли я
суммирова­
HZK
Стабилизатор
Устройство вычитания
Элемент отрицания НЕ
-ль
Образцовые меры
Элемент ИЛИ
=ЕЬ
Описания норм
Элемент И
Логические элементы
Задатчик с
уставкой
3 3 -
изменяемой
Усилитель
Формирователь
сов
Элемент Шеффера
НЕ
импуль­
И—
Элехмент Пирса ИЛИ —
НЕ
Ключ
(О
Магнитный барабан
Элемент с неравноценны­
ми входами
Осциллоскоп
Триггер
Осциллограф
Аналого-цифровой преоб­
разователь
Цифро-аналоговый
образователь
Устройство
цифровое
сравнения
пре­
Пороговое устройство
Виды связей
Изменение параметра
Механическая передача
П и *.
Ступенчатое
Подстроечное
\
А\
Электрическая
связи
линия
Оптическая линия связи
Пневматическая
связи
линия
К введению
В-4. Бернал Д . Наука в истории обще­
ства. М., Изд-во иностр. лит„ 1956.
В-2. Карандеев К. Б. Измерение и прог­
ресс. — «Автометрия», 1965, № 1.
В-3. Карандеев К. Б. Измерения в авто­
матизации умственного труда.— «Измери­
тельная техника», 1962, № 3.
В-4. Маликов Ф. М. Основы метроло­
гии. Ч. il. М„ Изд-во Комитета мер и изме­
рительных приборов при GM СССР, 1949.
В-5. Шрамков Е. Г. Электрические и
магнитные измерения. М., ОНТИлрибор,
1937.
В-6. Островский Л. А. Основы общей
теории
электроизмерительных устройств.
Л., «Энергия», 1971.
В-7. Карандеев К. Б. Измерительные
информационные системы и автоматика.—
«Вестник АН СССР», И961‘, № 10.
В-8. Измерительные
информационные
системы. Обобщающий доклад на II Все­
союзной приборостроительной конференции.
Л м изд. ВНИИЭП, 4965. Авт.: Кавале­
ров Г. И., Карпюк Б. В., Мандель­
штам С. М., Рабинович В. И., Цапенко М. П.
В-9. Цапенко М. П. Измерительные ин­
формационные системы. Обобщающий док­
лад на III Всесоюзной приборостроитель­
ной конференции. Л„ изд. ВНИИЭП, 1970.
В-40. Карандеев К. Б., Цапенко М. П.
Вопросы теории и практики измерительных
информационных систем,— В кн.: Киберне­
тику на службу коммунизму. П од ред.
А. И. Берга. Т. 5. М„ «Энергия», 1967.
В«14. Шрамков Е. Г., Кавалеров Г. И.,
Новицкий П, В. Первоочередные направле­
ния разработки общей информационной тео296
рии измерений.— «Измерительная техника»,
'1963, № 9.
В-42. Карпюк Б. В., Цапенко М. П. Об
измерительных информационных системах,—
«Автометрия», 4066, № 2.
В-43. Розов М. А. Предмет автометрии
как научной дисциплины.— В «и.: П робле­
мы электрометрии. Новосибирск, «Наука»,
1967.
В-44. Дрейпер Ч. С., Маккей В., Лис С.
Измерительные системы. М.,
«Машино­
строение», I960.
В -45. Хризман С. С. Цифровые измери­
тельные приборы и системы. Справочник.
Киев, «Наукова думка», 1970.
В-46. Бутусов И. В. Измерительные ин­
формационные системы. Л., «Недра», 1970.
В-417. Куликовский Л. Ф. Автоматиче­
ские информационно-измерительные прибо­
ры. М., «Энергия», 1966.
/|Г 48.) Теоретические основы связи и уп­
равлений М , Физматгиз, 1963. Авт.: Фельдбаум А. А., Дудыкин А. Д., Мановцев А. П„
Миродюбов Н. Н.
^Вн19\темников Ф. Е., Афонин В. А.,
Дмитриев В. И. Теоретические основы ин­
формационной техники. М„ «Энергия», 19 71.
В-20. Фремке А, В. Телеизмерения. м „
«Высшая школа», 1968.
В-21. Жданов Г. М.
Ч. 4, 2. М,— Л., ГЭИ. 1962.
В-22. Телемеханика. М., «Высшая шко­
ла», ,1967. Авт.: Новицкий В. М„ Гольд­
штейн Е. Е., Собакнн Е. Л., Траута
в.
В-23. Мановцев А. П. Введение в ц„ф.
ровую радиотелеметрию. М„ «Энергия»,
1967.
В-24. Малов В. С., Дмитриев В. Ф. Кодо-импульсные телеизмерительные системы.
М., «Энергия», 1969.
В-25.
В. А. Телеконтроль
управление.
«Энергия», (1969.
В-26. Системы получения
метеорологической информации,
метеоиздат, 1971. Авт.: Кмито
вин Н\ С., Павлов Н. Ф. и
В-27. Быховский
М.
Л.,
Вишнев­
ский А. А. Кибернетические системы в .меди­
цине, М., «Наука», '1971.
В-28. Алиев Т. М., Мамиконов А. .,
Мелик-Шахназаров А. М. Информационные
системы в нефтяной промышленности. М„
«Недра», 1972.
В-29. Новопашенный Г. Н. Информа­
ционные измерительные системы. Конспект
лекций. Л., Ленинградский политехнический
институт им. М. И. Калинина, .1971.
К гл. 1
1-Л. Зедгенидзе Г. П., Гогсадзе Р. Ш.
Математические методы
измерительной
технике. М„ Изд-во Комитета стандартов,
мер и измерительных приборов при СМ
СССР, 1970.
1-2. Вашны Е. Динамика измерительных
цепей. М., «Энергия», 1969.
'1-3. Куликовский
Ф., Лихтциндер Б. Я., Волков М.
Автоматические из­
мерительные приборы
устройствами для
выполнения математических операций. М.,
«Энергия», 1970.
1-4. Темников Ф. Е., Славянский В. Л.
Математичеокие развертывающие системы.
М., «Энергия», 1970.
1-5. Лихтциндер М. Я. Экспоненциаль­
ные моделирующие устройства в информа­
ционно-измерительных системах. М., «Энер­
гия», 1971.
1-6. Немировский А. С. Интеграторы
измерительных приборов, М.„ Стандартгиз,
1960.
1-7. Смолов В. Б., Кантор Е. Л.
вые вычислительные устройства. Л.,
гия»,1 1971.
1-8. Новицкий
П.
В.,
Мандель­
штам С. М. Автоматические вычисления
в измерительной технике,— «Измерительная
техника», 1962,
5.
1-9. Матушкин
Цапенко М. П.
Обработка информации
электроизмери­
тельных приборах и системах (краткий об­
зор и библиография).— «Автометрия», 1968,
№ 1.
1-10. Пухов
Е. Методы анализа
синтеза квазианалоговых электронных
пей. Киев, «Наукова думка», 1967.
111. Куликов С. В., Чистяков Б.
Дискретные преобразователи сигналов на
транзисторах. М., «Энергия», 1972.
К гл. 2
2- 1. Шенброт И. М., Гинзбург М. Я.
Расчет точности систем централизованного
контроля. М., «Энергия», 1970.
2-2. Шенброт И. М. Основы расчета
точности систем централизованного контроАвтореф. дис. на соиск. учен, степени
д-ра техн. наук. М., ЦНИИКА, 1970.
2-3. Рыбкин Б. П. О граничных оценках
суммарной ............................формационно-из­
мерительных систем. — «Труды метрологи­
ческих институтов СССР»,
вып. 126
(186), Л., «Энергия».
2-4. Лившиц
О критериях сравне­
ния средств
«Автометрия»,
1967, № 6.
2-5. Росин
Статистическая дина­
мика итеория эффективности систем управ­
ления. М., «Машиностроение», 1970.
2-6. Вентцель Е. С. Теория вероятно­
стей. М., «Наука», 1964.
2-7. Сердаков А. С. Автоматический
контроль и техническая диагностика. Киев,
«Техника», 1971.
2-8. Рабинович Б. Ё. Методика сумми­
рования частных погрешностей в области
радиотехнических измерений,— «Труды мет­
рологических институтов
СССР», 1962,
вып. 57 (117), Стандартгиз.
2-9. Земельман М. А., Кузнецов В. П.,
Кнюпфер А. П.
методах нормирования
метрологических характеристик измеритель­
ных устройств. — «Измерительная техника»,
1969, № 1, 2, 3.
2-10. Кавалеров
И., Мандельштам
С. М. О критериях оценки качества из­
мерения. — «Измерительная техника», 1965,
№ 12.
2-М. Рабинович С. Г. К расчету по­
грешности измерительных приборов.— «Из­
мерительная техника»,, 1068, № 2.
2-12. Земельман М. А. К вопросу о по­
грешностях измерительной аппаратуры —
«Измерительная техника», 1966, № 11.
2-13. См. [Л. 1-1].
2-14. Чехонадский М. А. Об использо­
вании
метрологии методов теории слу297
В.
ка», 1958,, № 2.
№ 4.
2-32. Е ф им ов А.
Н. О б эф ф ек т и в н о сти
оценка п огр еш н ости к о м п ен сац и он н ого п р и ­
п ер ед а ч и
и н ф ор м ац и и .— « А в т о ­
бора, о б у сл о в л ен н о й в н еш н и м и в о зм у щ е н и я ­
м атик а и вы числительная
м и — «П р и бор ы
N2 2 .
2-45. Ю ровский
А.
Я.
В ер о я т н о ст н а я
и
систем ы
В.
И.
уп р ав л ен и я »,
1967, No 7.
стар ею щ ей
2-3 3 . Х ар кевич
2-46. С ергеев
И н стр ум ен т ал ь н ая
А. А.
Т еор и я
19711,
п р еобр а­
зо в а т е л ей . М.„ Г о с э н е р г о и зд а т , |1948.
2-34. См. (Л . В -6].
2-35. А р у т ю н о в В. О. Э л ек тр и ч еск и е и з ­
точность ки н ем ати ч еск и х и ди н ам и ч еск и х си ­
стем . М ., « Н а у к а » , '1971.
2-‘17. П угачев В. С. В в е д ен и е в т еор и ю
т ехн и к а»,
м ери тельн ы е п р и бор ы и и зм ер ен и я . М ., Г ос-
вер о я т н о ст ей . М ., « Н а у к а » , ,1968.
2 П 8 . H o ffm a n n
D.
M e s s fe h le r a n a ly s e
эн ер гои зд ат,, '1968.
2-3 6 . К ей н ат Г.
lin ea rer
T el-
техн и к а. М .р « К у б у ч » , 1935.
2-3^ . М ильш тей н В. М . Э н ер гети ч еск и е
К. Б ., Р аби н ов и ч В. И .,
соотн ош ен и я в эл ек т р о и зм ер и т ел ь н ы х п р и б о ­
р ах.
Г о с э н е р г о и зд а т , 1960.
tio n ,
M e fisy s te m e .— « T e ch n isc h e
VEB
G era te- u n d
to w , 1969.
2 -19. К а р а н д еев
In fo r m a ­
R e g el-W e rk e» ,
2 :3 8 . Г и н зб у р г В. М . С оот н ош ен и я м е ж ­
Ц ап ен к о М . П. К о п р ед е л е н и ю п он яти я и з ­
м ер ен и я .— « И зм ер и тел ь н а я
т ех н и к а » ,
№ . 12.
1961,
Э л ек т р о и зм ер и т ел ь н а я
ду
ц эн ер ги ей
и н ф ор м ац и ей
при
и зм ер е­
н и и — « И зм ер и т ел ь н а я т ехн и к а», 1962, № 1 1 .
2-3 9 . П уш н ой
2 -2 0 . Т еория и н ф ор м ац и и и ее п р и л о ж е ­
Б. М . О б
инф орм ацион­
ред.
ны х х а р а к т ер и с т и к а х эл ек т р о и зм ер и т ел ь н ы х
А. А . Х а р к ев и ч а . М ., Ф и зм а т г и з, 11959.
2-21 Ш еннон К. Р а б о т ы по т еор и и и н ­
п р и бор ов .— « И зм ер и т ел ь н а я техн и к а», .1963,
ния.
(С б о р н и к
п е р е в о д о в ).
П од
ф ор м ац и и и к и бер нетике. М ., И з д -в о ин остр .
№ 7.
2-40. С ол он ен к о
лит.„ ,1903.
п о р о г при и зм ер ен и и .— « А в т ом етр и я », 49 6 8 ,
2-22. Б р иллю эн Л . Н а у к а и т еор и я ин­
В.
И.
Э нергети ч еск и й
№ 6.
2 -4 1 . К ол м о го р о в А . Н.
Т ри
подхода
ф ор м а ц и и . М „ Ф и зм а тг и з, ‘I 9 6 0 .
2-23. Я гл ом А. М ., Я гл ом И. М . В е р о я т ­
к о п р ед ел ен и ю п о н я т и я «к ол и ч еств о и н ф о р ­
ность
м ац и и ».— «П р о б л ем ы
и
и н ф ор м ац и я .
И зд . 3 -е. М .в « Н а у ­
п ер ед ач и
инф орм а­
к а » ,4973.
/ 2-24. ^Тарасенко Ф. П. В в е д ен и е в кур с
ции», 1965, т. I, вып. 4:.
2-42. Б у р д у н Г. Д ., М ар к ов Б. Н. О с н о ­
т е о рии ин ф ор м ац и и . Т ом ск , И з д -в о Т о м с к о ­
вы м етр ол оги и . М ,, И зд -в о с т а н д а р т о в , 4972.
го у н и в ер си т ет а , ,1963.
•2-43. Иванцов А. И. О сн ов ы т еор и и т о ч ­
у ^ ^ б / ^ С о л о д о в А . В. Т еори я ин ф орм ац и и
и ее""применение к за д а ч а м
а в т о м а т и ч еск о ­
го р егу л и р о в а н и я и к он троля. М ., « Н а у к а » ,
1967.
2 -26. С м . [Л . В -19].
2 - 2 7 ./Н ов и ц к и й
П.
В.
О сн овы
инф ор­
Л „ «Э н ер ги я », 1968.
И нф орм ационны е
стан дартов,, 1972.
2-44. Л и в ш и ц 3 .
А. О н ек от ор ы й п р о ­
блем ах
и зм ер и тел ьн ы х
ср ав н ен и я
прибо­
р ов .— «А в т о м ет р и я » , 1968, № II.
м ац и он н ой теор ии изм ер и тел ьн ы х устр ой ств .
2-28. Р аби н ови ч
ности и зм ер и тел ьн ы х у ст р о й ст в . М.„ И з д -в о
2-45. Л и в ш и ц 3 . А. О б у с л о в и я х эк в и ­
в ал ен т н о ст и
к р и тер и ев
т о ч н о с т и .- - В к-н.:
В ер оя т н ост н ы е м етод ы
В.
И., Ц ап ен к о М . П.
ха р а к т ер и сти к и
ср едст в
и зм ер ен и я и кон троля. М ., «Э н ерги я», 1968.
2-29. У рсул А. Д . И н ф ор м ац и я . М .,
в и зм ер ен и и и к о н ­
т р ол е. Н о в о си б и р ск , « Н а у к а » , '1968.
2-
4 6 . Ч ех о н а д ск и й М . А . К в о п р о су а н а ­
л и за п о г р еш н о ст ей и зм ер и тел ьн ы х си стем .—
« И зм ер и тел ь н а я техн и к а», 1960, № 10.
«Н а у к а » , 1974.
2-30. Е ф им ов А . Н. Р а з р а б о т к а м ет о д о в
К гл. 3
повы ш ения эф ф ек ти в н ости .первичной о б р а ­
ботки
мах
и зм ер ительной
уп р авл ен и я .
учен, степени
[Л П И ].
д -р а
2-31. Е ф им ов
А.
си сте­
3-
ди с.
на
соиск.
венной
наук.
Л ,,
il974
трон ны х
и н ф орм ац и и в
А в т о р еф .
техн.
Н.,
П оповский
В.
И.
С тар ен и е изм ер и тельн ой и н ф ор м ац и и .— «А в298
1. Цветков А . Г. П ри нци пы К оличест­
оц ен к и
эф ф ек т и в н о сти р а д и о э л е к ­
ср ед ст в .
М,
«С о в ет ск о е / рЯДио»,
1(9711.
3-2. К узьм и н И. В. О ц ен к а э ф ф ^ г и в н о сти
н оп т и м и зац и я
ав том ати ч еск и х <;Иотем
контроля и управления. М., «Советское ра­
дио», 1971.
3-3. Росин М. Ф. Статистическая дина­
мика и теория эффективности систем уп­
равления. М.„ «.Машиностроение», 1970.
3-4. Васильев Б. В. Прогнозирование
надежности и эффективности радиоэлек­
тронных устройств. М., «Советское радио»,
1970.
З-б. Касаткин А. С., Кузьмин И. В.
Оценка эффективности автоматизированных
систем контроля. М., «Энергия», 1967.
3-6. Справочник по надежности. Т. 1.
М_, «Мир», 1969.
3-7. Барзилович Е. Ю.,* Каштанов В. А.
Некоторые математические вопросы теории
обслуживания сложных систем. М., «Со­
ветское радио», 19711.
3-8. Гермейер Ю. Б. Введение в теорию
исследования операции. М., «Наука», 1971.
3-9. Акоф Р., Сасиени М. Основы иссле­
дования операций. М., «Мир», 1971.
З-'Ю. Вентцель Е. С. Введение в иссле­
дования операций. М.„ «Мир», 11971.
3-44. Коган Л. М., Цейтлин В. А. Алго­
ритмический подход к рациональному резер­
вированию информационной системы.— «Ав­
томатика и телемеханика», 1970, № 1.
3-42. Методика определения экономиче­
ской эффективности внедрения новой тех­
ники, механизации и автоматизации произ­
водственных процессов в промышленности.
М., Изд-во АН ОССр,, Ш63.
3-43. Есиков С. Р. Методика и практи­
ка определения эффективности внедрения
новой техники и организационно-техниче­
ских мероприятий. М„ «Связь», 11971.
3-114. Тихомирова Б. В. Экономика и ор­
ганизация производства в радиоэлектронной
промышленности. М,. «Советское радио»,
1971.
3-15. Волховер X. Г. и др. Обобщенная
эффективность как критерий сравнения ра­
боты сложных систем.—«Вопросы радио­
электроники», 1965., серия XII, вып. 12.
3-46. Волховер X. Г., Скориков Г. Я.
Критерии оценки информационных и конт­
рольных систем.— В кн.: Автоматический
контроль и методы электрических измере­
ний. Т. 4. Новосибирск, «Наука», 1974.
3-47. Ушаков И. А. Оценка эффектив­
ности функционирования сложных систем.—
«Вопросы
радиоэлектроники», 1902, се­
рия XII, выл. 13.
3-18. Ушаков И. А. Эффективность
функционирования сложных систем.— В кн.:
О надежности сложных технических систем.
М., «Советское радио», 4966.
349. Овчинников В. Н. Устройства ав­
томатического обмена информацией. М.,
«Энергия», 4971.
К гл. 4
41. Налимов В. В. Теория эксперимен­
та. М.„ «Наука», 1971.
4-2. Налимов В. В., Чернова Н. А. Ста­
тистические методы планирования экстре­
мальных экспериментов. М., «Наука», 1965.
4-3. Хикс Ч. Основные принципы пла­
нирования эксперимента. М., «Мир», 1967.
4-4. Федоров В. В. Теория оптималь­
ного эксперимента. М., «Наука», '197:1.
4-5. Финни Д. Введение в теорию пла­
нирования экспериментов. М., «Наука»,
1970.
4-6. Смирнов Н. В., Дунин-Барковский И. В. Курс теории вероятностей и м а­
тематической статистики для технических
приложений. М., «Наука», 4965.
4-7 Вальд А. Последовательный анализ.
М., Физматгиз, 1960.
4-8. Башаринов А. Е., Флейшман Б. С.
Методы статистического последовательного
анализа и их приложения. М., «Советское
радио», 1962.
4-9. Новые идеи в планировании экспе­
риментов. Под ред. В. В. Налимова. М,,
«Наука», 1969.
440. Планирование эксперимента. (Сб.
статей). Отв. редактор Г. К. Круг. М .,
«Наука», 1966.
К гл. 5
54. Ефимов В. М. Квантование по вре­
мени при измерении и контроле. М., «Энер­
гия», 1969.
& 2 ) Маркюс Ж. Дискретизация и кван­
тование. М., «Энергия», 1969.
5-3. См. [Л. В-49].
✓ 5-4. Лившиц 3. А., Рабинович В. И*.*
Савенков М. В. Численные методы решения
задачи оптимального квантования.— «Авто­
метрия», 1970. № 3.
5-5. См. [Л. 2-28].
5-6. См. [Л. В-48].
5-7. Хургин Я. И., Яковлев В. П. Фи­
нитные функции в физике и технике. М.„
«Физматгиз», 1971.
5-8. Харкевич А. А . Б о р ь б а с помехами
М., Физматгиз, 1965
5-9. Железнов Н. А. Некоторые вопро
сы теории информационных электрических
систем. Л., Изд. Л КВ ВИА, 1960.
5-il0. Ицкович Э. Л. Определение необ­
ходимой частоты и зм ер ен и й при дискретном
контроле.— «А в т о м а т и к а и телемеханика»
1061, № 2.
5-11. Ланцош К. Практические методы
прикладного анализа. Справочное руковод
ство. М., -Физматгиз,, 1961.
5-12 Хемминг Р. В. Численные мето­
ды для -научных работников .и инженеров.
М., «Наука», Л966.
5-ТЗ. Г р абар ь Л. П. Таблицы (полином ов
Ч ебы ш ева, ортон ар м и р ов ан н ы х н а си стем е
равноотстоящих точек. М.., И з д . В ы числи­
тельного цен тр а А Н O G O P, <1965.
5-114. П оляк Б. Т., Ш р ей д ер Ю. А . П р и ­
менение п ол и н ом ов У ол ш а в 1п р и б л и ж ен ных вы ч и сл ен и ях.— В юн,: В оп р осы теор и и
математических м аш ин . С бор н и к Na 2.
Н ов о с е -
J
лов О . Н., М ан ов ц ев А . П. С ж а т и е д а н н ы х
j
5-22. О льховски й
Ю.
при т ел еи зм ер ен и я х . М.., « С ов ет ск ое р а д и о » , 1
197)1,
1
5 -2 3 . В и тти х В. А ., З а е зд н ы й А . М. П о ­
стан ов к а за д а ч и с ж а т и я и зм ер и тел ьн ой ин ­
ф о р м а ц и и .— «А в т о м ет р и я » , '1968,
5 -2 4 . Д о с т и ж е н и я
рии. М ^ «М ир», 1970.
в
5 -2 5 . Б ер ези н И. С., Ж и д к о в Н. П. М е ­
5 -26. Ф р и д р и х 3 . К в о п р о су о н ер а в н о ­
м ерной. д и ск р ет и за ц и и
непреры вны х
5-27. Ф р и др и х 3 . К т ео р и и д и ск р ет н ы х
о т сч ет ов .— «Т р уд ы М Э И » , 1963, вып. 52.
5-28. Т ем ников Ф. Е. Т еори я отсч етн ы х
а д а п т а ц и й .— «Т р уды М Э Н » , 1 9 6 3 , вып. 52.
5-29. А н тон ю к Е. М . О в ы бор е частоты
д и ск р ет и за ц и и .— « И зв е ст и я в у зо в . П р и б о р о ­
стр о ен и е» , 196$, № 10.
5-3 0 . А н тон ю к <Е. М ., Ф рем ке А . В. Уст­
р и тел ьн ой и н ф ор м ац и и в
.Ш66„
№
2.
изме­
измерительных ин­
ф ор м ац и он н ы х си с т е м а х м е т о д о м автомати­
ч еского р егул и р ов ан и я ч астоты опроса дат­
чиков.— «И зв ест и я
в у зо в .
Приборострое­
ние», 1969, Na 6.
д о х л е б И . И ., Ф ом ичев В . С.
5 -16. К апицкий
Я.
И.,
си гн а­
л ов .— «И зв ест и я в у зо в . Р а д и о ф и зи к а » , 1960,
Na 2.
гиз, 1962.
А вт.: К о р ш ев ер И . И ., С м ол ов В . Б ., Т вер-
1.
т ел е м е т ­
тод ы вы числений. Т. I. М „ Ф и зм атг и з, 1902.
р ой ств о д л я
р а зо в а т е л е й .— «А в т о м етр и я »,
Na
о б л а ст и
П о д р ед . Ю . А. Б а зи л ев ск о го . М ., Ф и зм а т ­
5 -15. О б о д н о й в о зм о ж н о ст и п остр оен и я
ц и ф р о -а н а л о го в ы х ф ун к ц и он ал ьн ы х п р ео б ­
П.,
сок р ащ ен и я и збы т оч н ой
5-31. А н тон ю к Е. М . и д р . О со к р а щ е ­
Ц ап ен к о
1VL П.
нии
и збы точн ой
и н ф ор м ац и и
и
в
и зм ер и ­
М н о гоф ун к ц и он ал ь н ы е у ст р о й ст в а , о с н о в а н ­
тельны х
ные на р а з л о ж е н и и
в естия в у зо в . П р и б о р о ст р о ен и е» , 1969, № 4.
Ф урь е — У ол ш а.— « А в ­
т о м ет р и я » , 1972,, № 4.
и н ф ор м ац и он н ы х
5-32. Х л и стун ов
В.
си с т е м а х .— « И з ­
М. О
п огр еш н ости
Ц. S e q u en z-M u ltiip le x sy s-
апп р ок си м ац и й ди ск р ет н ы х м е т о д о в и з м е р е ­
te m e fur T e le p h o n ie- u n d D a ten u b ertr,a g u n g .
1. Q u a d r a tu r m o d u la tio n . 2. E in s e ite n b a n d -
ния.— « П р и б о р о ст р о ен и е» , I 9 6 0 , Na 5.
5-33. Х л и стун ов В. Н. О п р и м ен и м ости
m o d u la tio n .— «A rohiv der e le k tr is c h e n O b er-
теор ем ы
tr a g u n g » , 1968, B d 2 2 , (N° 1, 2.
ри тельной
5 -4 7 . H arm u th
5 -18. R ich ler F. S y n t e s e
lin ea r e r
p erio-
d isch
zeitv-ariabler F ilte r m it v o r g e s c h r e ib e -
nem
S e q u e n z v e r h a lte n .— « A rch iv der e le k tr i­
sc h e n U b e r tr a g u n g » , 1 9 0 8 , B d 2 2 , № 3.
5-19. Б а л а ш о в А.
И., Р у би н ш т ей н А. И.
К отел ь н и к ов а
к д и ск р ет н ой
и зм е­
техн и к е.— « И зм ер и т ел ь н а я
тех­
ника», 1961, Na 3.
5-34. П ев зн ер
С ок р ащ ен и е
объем а
м ац ии.
В кн.: М атем ати ч еск и й а н ал и з ,1970. И тоги
в оси би р ск , 1968.
5-35. П ев зн ер
В И Н И Т И , 1971.
5 -2 0 . G eo rg i К. Н . B in S c h e m a
s c h n e lle
Шг d ie
W a lsh -tr a n s fo r m a tio n s . — «N T Z »,
5-21. С обол ь
ратур ны е ф орм ы
«Н а у к а » , 1969.
И. M. М н огом ер н ы е к в а д ­
и
ф унк ции
Х а а р а . М .,
К ав а л ер о в
Г.
И.
и зм ер и тел ьн ой
инф ор­
(Т р уды с и м п о зи у м а ). « Н а у к а » , Н о ­
Г.
С.,
К ав а л ер о в
Г.
И.
О с п о с о б а х д и ск р ет и за ц и и при и зм ер ен и и .—
В кн.: К и бер н ет и к а в и зм ер и тел ьн ой т ех н и ­
ке. М м Ц Н И И Т Э И
1971, Na 9.
С.,
ф ун к ц и он ал ьн о св я зан н ы х в ел и ч и н .— В кн.:
Р я д ы по си стем е У олш а и и х о б о б щ ен и я .—
науки.
Г.
О в заи м н ой а д ап т и в н ой д и ск р ет и за ц и и д в у х
5н36., Д р о з д о в
п р и бор ост р оен и я , 11968.
Б. В. К а н а л и зу ст а т и с ­
тической точн ости в о сст а н а в л и в а ю щ и х у с т ­
р ой ст в .— «А в т ом етр и я », 1970, № 3.
5-37. Розов Ю. Л., Тихонов О. Н., Чел7-3. См. [Л. В-19].
«анов. И Е. О выборе оптимального спосо­
7-4. Питерсон У. Коды, исправляющие
ба .интерполяции и оптимального интервала
ошибки. М., «Мир», ,1964.
дискретизации — «Автометрия», /1968, № 5.
7-5. Самойленко С. И. Помехоустойчи­
5-38. Коломенцев Л. А. О временном
вое иодирование. М.„ «Наука», 4966.
квантовании
хроматографических функ­
7-6. Бородин Л. Ф. Введение в теорию
ций.— «Автометрия», 1970, № 2.
помехоустойчивого кодирования. М., «Со­
5-39. Руденко В. В., Свенсон А. Н. Об
ветское радио», 1968.
адаптивной дискретизации непрерывных сиг­
7-7. См. [Л. 5-8].
налов.— В кн.: Проблемы электрометрии.
Новосибирск, «Наука», 1967.
7-8. Францис Г. А., Янбых Г. Ф. Избы­
5-40. Трахтман А. М. Введение в обоб­
точность в электронных дискретных устрой­
щенную спектральную теорию сигналов. М.,
ствах. М., «Энергия», 4969.
«Советское радио», 1972.
V-9. Юргенсон Р. И. Помехоустойчи­
541. Аппроксимирующие измерительные вость цифровых систем передачи телемеха­
устройства. Сб. трудо.в НЭТИ. Под ред.
нической информации. М., «Энергия», 1974.
М. П. Цапенко. Новосибирск, Изд. НЭТИ,
7Л0. Коды с обнаружением и исправле­
1973.
нием ошибок. Сб. статей. М.в Изд-во иностр.
лит., 1956.
' К гл. 6
7-11. Теория кодирования. Сб. статей.
'6-11. См. [Л. 5-8].
(Пер.
с англ, под ред. Э. Л. Блоха). М.,
6- 2. Ом. [Л. В-|18].
«М'ир»,
4964.
6-3. Электрические измерительные пре­
7-42. Методы введения избыточности
образователи. Под ред. Р. Р. Харченко. М.,
для вычислительных 'систем. Сб. статей. М.,
«Энергия», Ш67. Авт.: Кончаловский В. 10.,
«Советское радио». 4966.
Купершм'идт Я. А.„ Сыроплятова Р. Я.,
7-13. Гитис Э. И. Преобразователи ин­
Харченко Р. Р.
формации для электронных цифровых вы­
6-4. См. [Л. 2-251.
числительных устройств. М., «Энергия», 1970.
6-5. Градштейн И. С., Рыжик И. М.
Таблицы интегралов, сумм,, рядов и произ­
7-14: Дроздов Е. А., Пятибратов А. П.
ведений. М., Физматгиз., 1962.
Автоматическое преобразование и кодиро­
6-6. Воюцкий В. С. Электронное накопи-,
вание информации. М., «Советское радио»
тельное устройство для измерения малых
1964.
электрических
величин.— «Измерительная
7-15. Филиппов В. Г. Цнфраторы пере­
техника», 4958, № 3.
мещений. М., Воениздат, 1965.
6-7. Латхи Б. П. Системы передачи ин­
7-16. Gray F. Pulse code communication.
формации. М„ «Связь», 1974.
Patent USA № 2632058, 4953.
6-8. Цифровые измерительные приборы.
7-17. Tomkins H. E. Unit-distance bina­
■Справочник. М„ «Энергия», 1974.
ry-decimal
codes for two-track communica­
6-9. См. [Л. В-15].
tion.— «IRE Trans.», 1956, v. EC-5, № 3.
6-40. Цифровые измерительные прибо
7-18. Ефименко В. В., Карпюк Б. В.,
ры с частотными датчиками. М., «Энергия»
1970. Авт.: Новицкий П. В., Кнорринг В. Г.,
Стукалин Ю. А. Об одном алгоритме син­
теза кв азиэкви дистантных двоичных ко­
Гутников В. С.
6/11. Аналого-цифровые преобразовате­ дов.— «Автометрия», 4968. № 5.
ли (принципы построения и элементы). Тру­
7-419. Ефименко В. В. Двоично-десятич­
ды семинара. Новосибирск. Институт авто­
ные коды для измерительных систем. Автоматики и электрометрии СО АН СССР,
реф. дис. на соиск. учен, степени канд. техн.
1971.
наук. Новосибирск, 1966 (СО АН СССР).
.7-20. Lippel В. A. A decimal code for
К гл. 7
analog-to-digital conversion.— «IRE Trans.».
7- 4. См. [Л. 2-21].
1955, v. EC-4, № 4.
7-2. Теория информации и се приложе­
7-21. Радченко A. H. Кодовые кольца
ния. Сб. переводов под ред. А. А. Харкекак
способ представления кодовых мновича, М.„ 1959.
301
9-5. Система «Человек и автомат».]
жеств.— «Автоматика и телемеханика», 1959,
Сборник
статей. М.„ '«Наука», 1965.
т. 20, № 7.
9-6. Проблемы инженерной психологии.
7-22. Поспелов Д. А. Арифметические
Сборник статей. Отв. ред. Б. Ф. Ломов. М
основы вычислительных машин дискретного
«Наука», 1967.
действия. М.„ «Высшая школа», '1970.
9-7. Техника систем индикации. Пер;
7-23. Ефименко В. В., Карпюк Б. В.,
с англ, под ред. A. HL Шеманина и
Самошин А. В. О количестве двоично-деся­
Н. И. Иванова. М„ «-Мир», 1970.
тичных кодов, обладающих свойствами
9-8. Пул Г. Основные методы и систе­
взвешенности и дополнительности.— «Авто­
мы индикации. Л,, «Энергия», I960.
метрия», 1966, № 2.
9-9. Электронно-лучевые системы элек­
724. Ефименко В. В. О помехоустойчи­
тростатической записи. М., «Энергия», 11969.
вости двоично-десятичных кодов.— «Авто­
Авт.: Муляров М. Я., Пятигорский Б. М.,
метрия», 1965, № 2.
Рейнберг М. Г., Ф.ихман И. Д.
9-10. Шадрин В. Н. Магнитная запись
К гл. 8
в автоматике. М.„ «Энергия», 1062.
9-11. Рейнберг М. Г.
Формирование
81. Государственная система обеспече­
знаков
на
экранах
электронно-лучевых
тру­
ния единства измерений. Метрология. Тер­
бок. М., «Энергия», 1969.
мины и определения. ГОСТ 16263-70. М.,
9J12. Бутусов И. В. Устройство цифро­
Изд-во Государственного комитета стан­
вой
индикации и регистрации информации.
дартов., мер и измерительных приборов при
Киев, Изд. Института технической инфор­
ОМ СССР, 1970.
мации, 1966.
8-2. См. [Л. 7-Т3].
943. Венда В. Ф. Средства отображе­
8-3. Цапенко М. П. О классификации
ния информации. М.„ «Энергия», 1960.
цифровых измерительных приборов.— «Из­
9-114. Арутюнов М. Г., Маркович В. Д*
мерительная техника», il901„ № 5.
Скоростной
ввод— вывод информации. М.,
8-4. Стахов А. П. Синтез оптимальных
«Энергия», 1970.
алгоритмов аналого-цифрового преобразова­
9-15. Леонов В. А. Трехмерная инди­
ния информации. Автореф. дис. на соиск.
кация.
М„, «Энергия», 1970.
учен, степени, д-ра техн. наук. Таганрогский
9-Т6. Агейкин Д. И., Галактионов А. И.,
радиотехнический институт, 1971.
Фаткин Л. В. Основные направления ис­
8-5. Уайлд Д. Дж. Методы поиска эк­
следований в инженерной психологии.—
стремума. М., «Наука»\ 1967.
86. Консон А. С. Экономическое обос­ «Приборы и системы управления», 1967,
№ 8.
нование проектов электрических машин, ап­
9-17. Человек в системах управления
паратов, приборов. М.„ ГЭИ, 1963.
(тематическая подборка).— «Приборы и си­
стемы управления», 1970, № 10.
К гл. 9
948. Агейкин Д. И. и др. Линейные гагоразрядные индикаторы.— «Приборы и си­
91. Электрические методы автоматиче­
стемы управления», '1969, № 9.
ского контроля. Под общей ред. К. Б. Ка9-19. Селибер Б. А. Расширение инфор­
рандеева. М., «Энергия», 1065. Авт.: Хамационных возможностей аналоговых изме­
рандеев К. Б. Карпюк Б. В., Касперорительных приборов.—^Измерительна я- тех­
вич А. Н. и др.
ника», 4971, № 5.
9-2. Ломов Б. Ф. Человек и техника. М.,
9-20. Шкабардня М. С., Андреев О. С.,
«Советское радио», 1966.
Мартыненко Н. В. К вопросу построения9-3. Гришин В. Г. Динамическая спек­
автоматизированной системы -средств реги­
троскопия в задачах визуального синтеза и
стрирующей техники.— «Приборы и систе­
опознания оператором сложных акустиче­
мы управления», il970, N2 12.
ских сигналов.— «Автоматика и телемеха­
ника», 1967, № 2.
9-21. Бутусов И. В. Измерительные ин­
9-4. Темников Ф. Е. Автоматические ре­
формационные системы. Л., «Недра», '1970.
гистрирующие приборы. Изд. 3-е,, -перераб. и
9-22. Цифровой электронный многото­
доп. М., «Машиностроение», 1968.
чечный милливольтметр.— «В кн.: «Труды
302
«конференция н о автоматическому -контролю
•и методам электрических измерений». Н о в о ­
сибирск, Изд-во СО АН СССР,, '1961, А вт.:
Цапенко М. П., Арефьев А. А, К арпю к Б. В.,
Касперович А. Н.
9-23. П ер ф ор атор ы ленточны е П Л -Л 60 и
.ПЛ-80/8А.— «Приборы и -системы управле­
ния», 19-68,, N° '6.
9-24. Э й ген б р о т В. М. Применение элек­
тронно-лучевых тр убок для (многоточечного
контроля. М., «Энергия», 1965.
9-25. Х ренков П. И., А р там он ов В. М.
•Светолучевые осциллографы с ультрафиоле­
товой записью.— «Приборы и системы у п ­
равления», 4971. N° |Ш.
9-26. Л ей н В. М., П ол я к ов а Л . В. Циф­
ровое регистрирующее устройство Н705
с быстродействием до 4 О4 символов в с е ­
кунду.— «Приборы и системы управления»,
1969, № 2. .
9-27. А в том ати ч еск и е (построители г р а ­
фиков ЦВМ. Под ред. Н. И. У рьева. М.,
«Энергия», 4969, Авт.: Гиленко В . Т.„ М е ­
л а нчешк о Л. А.,, Рыбченко В. С. -и д р .
9-28. K aye D. Liquid crystals -m aterial
with -a not future.— «Electronic D e s ig n » ,
1970, № -19.
9-29. A p p lica tio n of liquiid crystal to dirgital dev-ices.— «Techn. Jap.», 4970,
3.
9-30. Д о й л . Устройства цифровой и н д и ­
кации: некоторые данные для разработчи­
ков (обзор).— «Электроника» 4971., т. 44,
N° 1)1.
9-31. А гейкин Д . И., Галактионов А. И.,
Ф аткин П. В. Основные н ап равлени я и с­
следований в инженерной п си хол оги и .—
«Приборы -и систем ы уп р ав л ен и я », 1967,
• N° 10.
К гл. 11
N
°
44-4 Катыс Г. П. А в т ом ат и ч еск ое с к а ­
нирование. М.„ « М аш и н остр оен и е», I9 6 0 .
411-2. Катыс Г. П. И н ф ор м ац и он н ы е
сканирующие систем ы . М ., « М а ш и н о ст р о е­
ние», 1966.
41-3 Темников Ф. Е. Теория разверты­
вающих систем. М.,, Госэнергоиздат, 4963.
14-4. А н д р еев О. С. и др П р е о б р а з о в а ­
тель графической информации <в ц и ф ровой
к о д . — «Приборы и системы уп р ав л ен и я »,
1972, N° -1.
44-5. И ващ енк о И. И., Курбатов В. М.
.Индукционные датчики д л я в в о д а гр а ф и ч е­
ской информации в ЭВМ.—«П ри боры и с и ­
стемы управления», 4 9 6 0 , N° 8.
44-6. Цапенко М. П., Шамара И. Н.,
Талалай Л. Б. Полуавтоматическое уст­
ройство для расшифровки -и подсчета рас­
пределения экстремальных значений кри­
вых.— «Труды Института автоматики и
электрометрии СО АН СССР. Автоматиче­
ский контроль и электрические измерения»,
I960, вып. ll.
-11-7. Петренко А. И. Автоматический
ввод графиков в электронные вычислитель­
ные машины. М.., «Энергия», 4968.
ilil-8. Чеголин П. М. Автоматизация
спектрального и корреляционного анализа.
М., «Энергия», 4969.
44-9. Чеголин П. М.,
Леонович Э.
Римский Г. В.,
Н. Системы преобразования
многоканальной графической информации
в электрические сигналы. Минск, «Наука и
техника», 1969.
14-40. Абакумов В. Г., Петренко А. И.
Устройства на виднконе для ввода графиков
в ЭВМ. М м «Энергия», 4967.
4iN ll. Васьков С. Т. и др. Сканирую­
щий автомат для ввода в ЭЦВМ фильмо­
вой информации.— «Автометрия»,, 11970, N° 2.
14-12. Новиков В. К., Полунов Ю. Л.
Растровые
развертывающие
системы.—
«-Приборы и системы управления», 1969,
N° 5.
11-13. (Валюс Н. А. Растровая оптика.
М.— Л., Гостехтеориздат, «1940.
44-14. Новицкий В. В., Андреева Е. Н.
Определение нирог-ибов деформируемых пла­
стинок методом (муаров.— «Расчет простран­
ственных конструкций», 1965, вып. X, Стройиздат.
14-15. Ушаков Б. Н. Исследование уп­
руго-пластического «изгиба круглой пластин­
ки методом муара.— «Известия вузов. При­
боростроение», 1965, N° 5.
Illil6. Петунии В. К. Устройство для
измерения прогибов плоских конструкций на
основе регистрации -муаровых полос. А. С.
N° 244021 (СССР). Опубл. в бюл. «Откры­
тия. Изобретения. Промьппленные образцы.
Товарные знаки», 4969, N° 43.
44-17. Петунии В. К. Устройство для
измерения прогибов плоских конструкций.
А. С. N° 369377 (СССР). Опубл. в бюл.
«Открытия. Изобретения. Промышленные
образцы. Товарные знаки», 1973, N° 40.
44-48. Катыс Г. П. Методы и системы
автоматического контроля нестационарных
параметров и параметрических полей. М.,
«Машгиз», 4963.
•11-19. Катыс Г. П. Автоматический об­
12-5. Диковский Я. М., Капралов И. И*
Магнитоуправляемые контакты. М. «Энер­
зор и -поиск в оптическом диапазоне. М,,
гия», 1970.
«Наука», 1966.
Ы-20. Катыс Г. П. Прибор для измере­
12-6. Зарецкас В. С., Рагульскене В. Л.
ния цветовой температуры объекта больших
Ртутные -коммутирующие элементы для уст­
размеров с нестационарным температурным
ройств автоматики. М., «Энергия», 1^71.
12-7. Валитов Р. А., Гонестас Э. Ю. Оп­
полем. А. С. № 126646 (ССОР). Опубл.
в «Бюл. изобрет. и товарных знаков», 1960,
тимальные соотношения в ступенчатых из­
№ 5.
мерительных коммутаторах.— В кн.: Радио11-21. Свет Д. Я. Объективные методы
измерения. Материалы научно-технической
высокотемпературной пирометрии при непре­
конференции. Изд. республика некого инсти­
рывном спектре излучения. М., «Наука»,
тута НТИ и- пропаганды. Вильнюс,, 1969.
1968.
12-8. Лебедев А. В., Толчинский Е. М.,
11-22. Нетребенко К. А. Компенсацион­
Тяпкин М. В. Электронное измерительное
ные схемы амплитудных вольтметров и
устройство ДИУ-256/1 с цифровым выхо­
указателей экстремума. М., «Энергия», 1967.
дом.— «Приборостроение», 1960, № 11.
11-23. Улин 6. В., Цапенко М. П. О не­
12-9. Игрицкий В. И. и др. Многока­
которых способах автоматического определе­
нальный коммутатор с низким уровнем соб­
ния экстремальных значений непрерывных
ственных шумов.— «Приборы и системы уп­
функций.— «Труды Института автоматики и
равления», .1968, № 11.
электрометрии. Автоматический контроль и
12-10. Дерябин Н. И. Многоканальные
электрические измерения», 1960, выл. 1, Но­
автоматические переключатели на магнитовосибирск, «Наука».
управляемых контактах.— «Приборы и си­
11-24.G M . (Л. В-26].
стемы управления», 1968*. № 11.
11-25. Иваницкий
Г.
Р.,
Литин12-Т1. Севин Л. Полевые транзисторы.
ская Л. Л., Шихматова В. Л. Автоматиче­
М., «Советское радио», 1968.
ский анализ микрообъектов. М., «Энергия»,
12-12. Каримов К. К., и др. Коммутатор
1967.
аналоговых сигналов в интегральном испол­
11-26. Катыс Г. П., Чубарев Е. П. Сов­
нении.— «Автометрия», 1970,, N° 3.
ременные методы и системы контроля тем­
12-13. Беломестных В. А. и др. Много­
пературных полей.— «Приборы и системы
точечная измерительная система с коммута­
управления», 1971, N° 10.
тором на полевых транзисторах.— «Автомет­
11-27. Зуев В. М. и др. Низкотемпера­
рия», 1970, N° 2.
турный
фотоэлектрический
пирометр
12-14. Назаров Л. А., Уманцев Г, Д„
ФЭП-8.— «Приборы и системы управления»,
О преобразовании сигналов р перифериче­
1971, N° 10.
1128. Здор С. Е. О оинтезе поисковых ских частях биологических систем.— «Авто­
метрия», 1965,, № 4.
сканирующих систем.— В кн.: Современные
12-15. Хазен А. М. Об использовании
проблемы кибернетики. М., «Наука», >1970.
магнитных элементов для коммутации сиг­
К гл. 12
налов низких уровней в многоточечных уст­
ройствах
контроля.— «Приборостроение»,
12,1. См. (Л. 9-1].
122. Долгов В. А., Гонестас Э. Ю. Ком­ 1965, N° 12.
12-16. Хазен А. М. Вопросы построения
мутирующие устройства автоматических си­
систем коммутации и преобразования в циф­
стем контроля. М.„ «Энергия», 1969.
ровой эквивалент сигналов постоянного то­
12-3. Основы построения автоматизиро­
ка низкого уровня мощности.— «Автомет­
ванных систем контроля сложных объектов.
рия», 1966, № 4.
Под ред. П. И. Кузнецова. М., «Энергия»,
112-17. Борде Б. И. Транзисторные ком­
1969. Авт.: Гайденко В. С., Жилюк Б. К.*
мутационные элементы с цепями управле­
Крылов С. К. и др.
ния на туннельных диодах.— «Автометрия»,
12-4. Трансформаторные измерительные
1966, N° 4.
мосты. Под общ. ред. К. Б. Карандеева.
12-18. Универсальные электронные пре­
М., «Энергия», 1970. Авт.: Гриневич Ф. Б.,
образователи
информации.
Под ред.
Грохольский А. Л.4 Соболевский К. Mv, Ца­
В. Б. Смолова. М.„ «Машиностроение», 1971.
пенко М. П.
Авт.: Смолов В. Б., Чернявский Е. А., По­
лянская Т И,, К уд р иков Б. А.
12-19. Справочник но прикладной изме­
рительной технике. Под ред. Д. Ковсидайна
и С. Росса. М., «Энергия», 1968.
12-20 Гусев В. П., Охотская В. Н., Цапенко М. П, Обоснование требований к ана­
лого-цифровым преобразователям, предназ­
наченным для автоматизации .научных экс­
периментов — «Труды симпозиума по про­
блемам создания преобразователей инфор­
мации». Киев, Институт кибернетики АН
УССР, ,1970.
12-21. Digital data acquisition system,
DACQ-2, Series, Bulletin № DACQ-2-ЗЗГЕ
Takeda Riken Industry Co., Ltd, Mar. 1969.
12-22. Лебедев А. В., Толчинский E. M.,
Тяпкин M. В. Электронная регистрирующая
аппаратура ЭРА.— «Приборы и системы уп­
равления», 1967, № 9.
12-23. Лучук А. М., Пшеничный В. Г.,
Сметанин И. М. Устройство кодирования
сигналов дифференциально-трансформатор­
ных датчиков.— «Автометрия», 1970, № 2.
12-24. Забавин В. Й. Тензометрическая
установка с фазоимпульсной модуляцией.—
«Приборостроение» -1968, № 3.
12-25. Кондалев А. И., Хачатуров С. Д.
Об одном способе многоканального преоб­
разования сигналов низкого уровня в циф­
ровой код.— «Приборы и системы управле­
ния», 1969, № 2.
12-26. Болтянский А. А., Пшенични­
ков Ю. В., Скобелев О. П. Многоканаль­
ные аналого-цифровые преобразователи на
основе тестовых
переходных процессов
в измерительных цепях.— В кн.: Конферен­
ция по автоматизации научных исследова­
ний на основе; применения ЭВМ. Тезисы
«Системы сбора и обработки данных с по­
мощью ЭВМ и их элементы». Новосибирск,
«Наука», ,1972.
12-27. Болтянский А. А. и др. Построе­
ние преобразователей при использовании
свойств переходных процессов.— «Измери­
тельная техника», 1969, № 4.
12-28. Болтянский А. А. и др. Многока­
нальная измерительная система с диффе­
ренциальными параметрическими первичны­
ми
преобразователями.— «Измерительная
техника», 1970, № 41.
12-29. Касперович А. Н., Попов Ю. А.
Многоточечный АЦП с коммутатором на­
пряжений низкого уровня на МОП-тран20—741
зисторах. — В кн.: Коммутация и преобра­
зование малых сигналов. Материалы семи­
нара ЛДНТП, 1972.
К гл. 13
13-4. Темников Ф. Е. Мультиплициро­
ванные измерительные схемы.— «Электриче­
ство», 1048,, № 8.
13-2. Ом. [Л 11-3].
13-3. Афонин В. А. Применение сиультиплицированных систем в'машинах центра­
лизованного контроля. Автореф. дис. на соh g k . учен, степени канд. техн. наук, МЭИ,
1964.
13-4. Якобсон Б. М., Розинкин А. Е.
Автоматизированные системы управления
производством. М.„ «Советское радио», 1974.
13-5. Строков В. А. Преобразование ве­
личин в дискретно-непрерывную форму.—
«Приборостроение», 4965, № Г1.
13-6. Карманов 3. С., Фомин А. Ф. Эле­
менты аналоговых радиотелеметрических си­
стем. М., «Энергия», 4966.
13-7 Арутюнов В. О. Фазоностоянные
измерительные цепи переменного тока и их
применение. М., Стандартов, 1963.
13-8. См. [Л. 6-10].
139. Викторов В. А. Резонансный метод
измерения уровня. Под ред. Б. Н. Петрова.
М., «Энергия», 1969.
К гл. 14,15,13
144. Свешников А. А. Прикладные ме­
тоды теории случайных функций. М., «Нау­
ка», 1968.
44-2. Романенко А. Ф., Сергеев Г. А.
Вопросы прикладного анализа случайных
процессов. М., «Советское радио», 1968. ,
14-3. Бендат Дж., Пнрсол А. Измерение
и анализ случайных процессов. М„ «Мир»,
1974.
14-4. Балакирев В. С., Дудников Е. Г.,
Цнрлин А. М. Экспериментальное определе­
ние динамических характеристик .промыш­
ленных объектов управления. М., «Энер­
гия», 1967.
14-5. Мирский Г. Я. Аппаратурное оп­
ределение характеристик случайных процес­
сов. Изд. 2-е. М„ «Энергия», 1972.
14-6. Котюк А. Ф., Ольшевский В. В.,
Цветков Э. И. Методы и аппаратура для.
анализа характеристик случайных процес­
сов. М,, «Энергия», 1967.
14-7. Курочкин С. С. Многомерные ста
мистические анализаторы. М., Атомиздат,
1968.
,14-8. См. [Л .11-8].
М-9. Синицын Б. С. Автоматические
корреляторы и их п р и м ен ен и е. Новосибирск,,
СО АН СССР,, 1964.
44-40. Л а н г е Ф. ,Г. Корреляционная
•электроника. М., Судпромгиз, ‘1963.
44-44. Г р и бан ов Ю. И., В есел о в а Г П.,
А н д р е ев . В. Н. Автоматические цифровые
корреляторы. М.„ « Э н ер ги я », 1974.
MJ12. Дженкинс Г., В атте. Спектр а льгный анализ и его приложение. Вып. 4 и
:2. М., «Мир 11971.
14-43. Мельников Г П. Электронные
.цифровые спектрометры. М , Атомиздат,
1966.
\
14-14. А н а л и за т о р р а с п р е д е л е н и й — п р и ­
ставка
электронному потенциометру
Э П Л .— «У никальны е приборы», 1970, № 4 ‘
(Институт ф и зи к и и астрономии АН ЭССР).
14-15. Магалин Л . А., Ч у б а р о в С. И.,
И ванов А. А. Многоканальные анализаторы
•ядерной физики М., Атомиздат,, 1964.
14-16. Ц и ф р о в а я система накопления
и обработки информации (АИ-2048). М.,
.Атомиздат,, 1963. Авт. Белов А. Ф., Бело
ус А. Л., Кузнецов К. Ф.„ Курочкин С. С.,
Саличко В. Н
к
114-23. В ал и тов Р. А ., Буйнявичюс В. В.,
П етрок ис С. С. Коррелометры с электрон­
ными
устройствами задержки.— «Измери­
т ел ь н ая т ехн и к а», 1971, № 4
При­
сеток для в ы п ол н ен и я
м ат ем ати ч еск и х операций.— «Труды конфе­
р ен ц и и по автоматическому контролю и ме-,
т о д а м эл ек т р и ч еск и х измерений». Новоси­
14-24. Ц ап ен к о М. ГГ, Улин О. В.
м ен ен и е м атр и чн ы х
бир ск , И з д -в о СО А Н С С С Р , 1961.
к а х . А . С ..
№
1127074
(С С С Р ).
О п убл .
в «Б ю л . и з о б р е т . и тов ар н ы х зн а к о в » , 1960,
№
6.
Попов С. С. К ор р ел я т ор ы с
14-26.
п о л ьзов ан и ем с в о й ст в
ис­
и м п ул ьсн ой м о д у л я ­
ци и.— «А в т о м етр и я » , Д968, № '6.
Свет В. Д.
4 4 -27.
обработай
си гн ал ов .
О п тически е
1971.
14-28. Брусенцев Л. В. П р и б о р ы
для
и
а н а л и за
М етод
т ен ев о го
1969.
14-29.
М .,
м етод ы
« Э н ер ги я »,
за п и си
-статистических
гр аф и к а.
М .,
д ан н ы х.
« Э н ер ги я »,
Карышев Е. Н. И с с л е д о в а н и е м е ­
т о д о в р еги ст р а ц и и д л я стати сти ч еск ой о б р а ­
ботки д ан н ы х. А в т о р еф . д н е . п а соиск. учен,
степ ен и к ан д . техн . наук. Н о в о си б и р ск , ,1967
(Н Э Т И ).
14-30. Алиев Т. М. Ц и ф р о в о й
14-17. Р егу л и р о в к а и и сп ы тан и я м н о г о ­
канальной измерительной ап п ар атур ы д л я
я д ер н о й физики. Научно-технический с б о р ­
ник,, вып. 6. Под ред. С. С. Курочкина М.,
Гоеатомиздат, 4963.
44-118. Д и ск р етн а я система для и з м е р е ­
ний многомерных распределений вероятно­
стей. Под общ. ред. Р Г Офенгендена. К и ­
ев, « Н а у к о в а думка», 1969.
/14-19. Соколов М. П. Применение а в ­
Цапенко М. ГГ, Улин О. В. Счет-
4 4 -2 6 .
ион реш аю щ ее у ст р о й ст в о н а м атр и чн ы х с е т ­
для
стати сти ч еск ой
пр и бор
обработки
гр аф и ческ ой
и н ф ор м ац и и .— « И зм ер и тел ь н а я
т ех н и к а » ,
1970, № 3.
14-31. Pearl
d om
J. W a lsh p r o c e s s in g o f r a n ­
s i g n a l s .— « IE E E
T ra n s» ,
1971,
v.
E W C -13, № 3.
14-32.
Ситников О. П. О бобщ ен н ы й г а р ­
м онический
ан ал и з сл учай н ы х п р о ц ессо в и
т ом ати ч еск и х устр о й ств в ф изи ч еск ом эк с п е ­
новы е м е т о д ы п ост р оен и я а н а л и за т о р о в .—
В кн.: Д о к л а д ы В с ес о ю зн о й н а у ч н о -т ех н и ­
ри м енте. М.,, А т о м и зд а т , 1969.
ческой кон ф ер ен ц и и по р ад и отехн и ч еск и м и з ­
14-20. Губарев В. В. М н огоц ел ев ы е а н а ­
л и заторы
сл у ч а й н ы х п р о ц е сс о в
(принципы
п остр оен и я , ан а л и з п о г р е ш н о ст ей ). А в т ор еф .
ди с.
на
со и ск .
учен,
с т еп ен и
канд.
нук. Н о в о си б и р ск , Н о в о си би р ск и й
т ех н .
м ер ен и ям . Т. III. И зд . Н о в о си б и р ск о го
сти тута
Н о в о си б и р ск , 1970.
14-33. Ситников О. Л., Глызин В. И. А п ­
электро­
пар атур н ы й
ан ал и з
1070.
14-21. Горбацевич Е. Д. К ор р ел ом етр ы
осн ов ан н ы й
на
техн ически й и н ст и ту т ,
ин ­
сов етск ой .кооперативн ой тор гов л и .
сл учай н ы х
р а зл о ж ен и и
ш а. — В кн.: Д о к л а д ы
п р оц ессов ,
Ф ур ье — У о л ­
В сес о ю зн о й
н аучно-
с ап п рок си м аци ей . М.„ « Э н ер ги я », 1971.
технической к он ф ер ен ц и и по р а д и о т е х н и ч е ­
14-22. Штамбергер Г. А. П ри нци пы п о ­
стр оен и я и элем ен ты общ ей теор и и и зм ер и ­
ским
и зм ер ен и я м . Т.
ск ого
-института
тельны х
цепей
для
а эр о эл ек т р о р а зв ед к и .
III. И з д .
с о в ет ск о й
Н овоси би р­
к о о п ер а т и в н о й
А втореф . дн е. на соиск. учен, степ ен и д -р а
торговли . Н о в о си б и р ск , 1970.
14-34, Ч ерны ш ов В. М. и д р . А п п а р а т у р -
техн. наук. Н о в оси би р ск , 1967, СО А Н С С С Р .
ный ан ал и з сл учай н ы х п р оц ессов с псполь-
306
зованием функций Xaaioa.— «Радиотехника
и электроника», 1971, № 8.
14-35 Воюцкий В. С. Корреляционный
метод обнаружения и измерения слабых
сигналов М„ .«Недра», 1965.
14-36. Козачок А. Г., Кунов В. М., Лив­
шиц 3. А. Анализ порога чувствительности
корреляционного усилителя.— «Автометрия»,
'1970, № 4.
14-37 Гриневич Ф. Б., Карандеев К. Б.,
Штамбергер Г. А. О принципах построения
аппаратуры для аэроэлектроразведки мето­
дом естественных электромагнитных по­
лей.—«Автометрия», 1065, № 4.
14-38. Городинский И. В. Теоретические
и экспериментальные исследования метода
электроразведки квазибелым шумом . (ана
лиз метода измерения и статистической измерительной системы). Автореф дне. на
соиск. учен, степени канд. техн наук. Но­
восибирск, 1972 (НЭТИ).
14-39. Козубовский С. Ф. Автоматиче­
ские корреляционные измерители скорости.
Киев, Изд-во АН УССР, 1963.
14-40. Харкевич А. А. Спектры и анализ.
М.„ Физмат,гиз, 1962.
14-41. Никифоров Н. Т., Харченко Р. Р.
Методы анализа, спектров электрических
сигналов в реальном времени.— «Автомет­
рия», 1967, № 6.
М-42. Курочкин С. С. Многоканальные
счетные системы и коррелометры. Мм
«Энергия», 1972.
44-43. Кондратенков Г С. Обработка
информации когерентными оптическими 'Си­
стемами. М., «Советское радио», 1972.
14-44. Галушкин А. И., З о т о в Ю. Я .,
Шикунов Ю. А. Оперативная обработка
экспериментальной информации. М., «Энер­
гия», 1972.
14-45. См. [Л . 5-40].
14-46. Ч ерн ицер В. М ., К а д у к Б. Г. Пре­
образователи временного масштаба. М.,
«Советское радио», 4972.
14-47. К а р а н д еев
К.
Б.,
Ш там бер ­
гер Г. А. Об измерении коэффициентов кор­
реляции и корреляционных функций нуле­
вым методом.— «Автометрия», 1968, № 4.
44-48. Карандеев К. Б., Ш там бер ­
гер Г. А.* Способ измерения корреляционной
функции А. С. № 2061911 (СССР). О и убл .
в бюл. «Изобретения. Промышленные образ­
цы Товарные знаки», 1967, № 24.
20 *
К гл. 17
4 7-1. Скугоров В. Н. Анализ многоком
понентных систем физико-химическими ме­
тодами.— «Приборостроение», 4959, № 8.
17-2. Шелемнн Б. В. Автоматические
анализаторы состава радиохимических сред.
М., «Атомиздат», 4965.
47-3. Жуков Ю. П., З у д и н В. Л ., Коз­
лов А. Г. Многопараметрический анализа­
тор состава пульпы.— «Приборы и системы
управления» 1970, № 14.
17-4. Раисов О. А., Розенблит А. Б.
Применение цифровых вычислительных уст­
ройств для автоматического контроля соста­
ва многокомпонентных производственных
сред.— «Труды VI конференции ио автома­
тическому контролю и методам электриче­
ских измерений». Т. 1. Новосибирск, «Нау­
ка», 4966.
17-5. См [Л. В-47]
47-6. Автоматизация анализа химиче­
ского состава вещества. Под ред. Р. Б. По­
пова. Вып. 11. Киев, Изд. УкрНИИНТИ,,.
1066.
17-7. П усты нников В. Г. Вопросы общей
теории измерений в технике многочастотного
контроля. Автореф. дис. на соиск. учен, сте­
пени д-ра техн. наук. Л., 1967, (ВНИИМ).
17-8. Ш умилин В. И. Разработка и ис­
следование моделей
«датчик — изделие»в многопараметровом
электромагнитном
контроле. Автореф. дис. на соиск. учен, сте­
пени канд. техн. наук. Киев, 497(1 (КНИГА).
17-9. В асильев В. Г. Многосвязные 'вос­
производящие системы с линейными кор­
ректными преобразующими комплексами.—
«Автометрия», 4965, № 3.
17-10. Е вланов Л . Г. Контроль динами­
ческих систем. М., «Наука», 1972.
17-11. Баглай Р. Д ., Т ом сон е Я. Я.
ЧувствительноСть многомерных преобразо­
вателей, применяемых в измерительных си­
стемах.— «Автометрия», 4968, № 4 .
17-42. К ар ан деев
К.
Б.,
Ш там бер ­
Обобщенная теории мостовых ц е ­
пей переменного тока. Новосибирск, Издво СО АН СССР, 1961.
гер Г. А.
47-13. А ли ев
Т.
М .,
М ел и к -Ш а х н а за ­
ров А . М., Ш айн И. Л . Автоматические ком­
пенсационные устройства переменного тока.
Баку, Азербайджанское государственное
издательство, 4965.
17-14. П ухов Г. Е. Обратимые квазианалоговые модели, их теория и некоторые
30 7
статистики для технических приложений.
М„ Физматгиз, 1959.
48-10. Кордбнский X. Б. Приложение
теории вероятностей в инженерном деле.
М„ Физматгиз,, 1963.
18-14. Коротков В. П . , Тайц Б. А. Осно- .
вы метрологии и точности механизмов при­
боров. М.„ Машгиз, 11961
18-42. См. [Л .2-1].
18-13. Ефимов В. М., Мантуш Т. Н., Ра­
№ 6.
бинович В. И. Оценка точности сортиров­
17-17. Лихтциндер Б. Я. Многомерные
ки.— «Измерительная техника», 1968,, «№ 14.
электроизмерительные устройства аравне*
18-14. Зиньковский А. И. Радиотехниче­
ния. (Основы теории и проектирования). Авский эксперимент. М., «Энергия», 1964.
тореф. дис. на соиск. учен, степени д-ра
48-15. См. [Я. 4-7].
техн. наук. Куйбышев, 1972 (КИИ)
48-16. Темников Ф. Е. Статистическая
17-18. Проблемы идентификации -неста­
индикация (регистрация) множеств вели­
ционарных объектов (в «измерительной техни­
чин при автоматическом централизованном
ке (сборник). Новосибирск, Изд-во Сибир­
контроле производственных и испытатель­
ского государственного института метроло­
ных процессов.— «Труды IV конференции
гии, 1971.
по автоматическому контролю и методам
17-19. Райбман Н. С. Что такое иденти­
электрических измерений». Т. II. Новоси­
фикация? М., «Наука», '1970.
бирск, «Наука», 1964.
1720. Мартяшин А. И., Цыпин Б. В.,
18-47. См. [Л. 12-3].
Шляндин В. М. Некоторые вопросы конт­
48- 48. См. [Л. 3-3].
роля многополюсников.— «Информационно18-19. Кулаков Н. Н., Загоруйко А. С.
измерительная техника», Вьип. 1, 2, 1972,
Методы повышения надежности техниче­
Пензенский политехнический 'институт.
ских изделий по технико-экономическим по­
казателям. Новосибирск, «Наука», 4969.
4
1'8-20. Касаткин А. С., Хрулева А. В.
К гл. 18
Рациональный выбор характеристик аппа­
ратуры контроля. М., «Энергия», 1970.
18- 1. См. [Л. 9-1]..
18-21. Автоматическая проверка обору­
18-2. Томас Л. Ф. Контроль качества.
дования «самолетов и ракет. Сб. «статей. Пер.
М., Изд-во стандартов, 19G8.
«с англ, под ред. В. А. Боднера. М., Изд-зо
18-3. Кор И. Тенденция развития пове­
иностр. лит., ,1962.
рочного оборудования для сложных 'систем
18-22. См. [Л. 17-10].
оружия.— В кн.: Автоматическая проверка
1823. Камхин Я. Б. и др. Исследование
оборудования самолетов и ракет. Пер.
эффективности двухступенчатого автомати­
с англ, под рсд. В. А. Боднера. М.„ Изд-во
ческого контроля размеров изделий модели­
иностр. лит.,'‘1962.
рованием на ЭЦВМ.— «Измерительная тех­
18-4. Казаков И. Е., Доступов Б. Г.
ника», 4972, № 7.
Статистическая динамика нелинейных авто­
матических систем. М., Физматгиз, 1962.
К гл. 19
18-5. См. [Л. 3-5].
194. Шенброт И. М. Машины централи­
18-6. Блинов И. Н., Гаскаров Д. В.,
зованного контроля. М., «Энергия», 1966.
Мозгалевский А. В. Автоматический конт­
19-2. Темников Ф. Е., Шенброт И. М.
роль «систем управления. Л., «Энергия»,
Машины и «системы автоматического контро­
1968.
ля (Каталог-справочник) М., ГОСИНТИ,
18-7. Касаткин А. С., Коменда Э. И.
1964.
Статистическая оптимизация аппаратуры
49- 3. Скотников А. А., Серьезпов А. Н
контроля. М., «Энергия», 1970.
Выбор импульсного питания в мостовых
48-8. См. [Л. 3-2].
тензометрических «схемах.—- «Измерительная
18-9. Смирнов Н. В., Дунин-Барковтехника», 1968, № 6.
ский И В. Краткий курс математической
308
применения.— «Известия вузов. Электроме­
ханика», 1963, № 2.
17-16. Осмоловский П. Ф. Итерацион­
ные многоканальные системы автоматиче­
ского управления. М., «Советское радио»
1969.
17-16. Будянов В. П., Иванов В. А.,
Шеломанов А. И. Измерение динамических
параметров объекта методом беспоисковой
адаптивной модели.— «Автометрия», '1969,
19-4. Полупроводниковые кодирующие
и декодирующие преобразователи напряже­
ния. Под |ред. В. Б. Смолова и Н. А. Смир­
нова. Л,, «Энергия», 1967. Ант.: Смо­
лов В. Б., Смирнов Н. А., Угрюмой Е. Г1.
и др.
19-5. Коган Л. М., Семко Ю. И. Выбор
способа функционального преобразования
сигналов датчиков при разработке управля
ющей вычислительной системы.— «Приборы
•и системы управления», 1971, № 5.
19-6. Серьезнов А. Н., Цапенко М. П.
Методы
уменьшения
влияния
помех
в термометрических цепях. М.„ «Энергия»,
1968.
'19-7. Босый Н. Д. Электрические филь-'
тры. М„ Гостехиздат, <1961.
'19-8. Волин М. Л., Паразитные связи и
наводки. М., «Советское радио», I960.
19-9. Бурцев Ю. И., Полищук Я. А.,
Эдемский В. М. Помехи при измерении тем­
пературы в электропечах сопротивления. М.,
«Энергия», 1969.
19-10. Соболевский
К.
М.,
Шакола Ю. А. Защита 'мостов деременного тока.
Киев, Изд-во АН УССР, 1957.
‘19-1)1. См. [Л. 9-4].
19-12. Гильман Г. И., Чугунов К. М.
Машины централизованного контроля (об­
зор). М„ ЦНИИТЭИ приборостроения, 1968.
19-13. Амромин С. Д. Модуляционные
устройства допускового контроля с вентиль­
ными элементами. Автореф. дис. на сопок,
учен, степени канд. техн. наук,, Новоси­
бирск, 1968, НЭТИ.
49-14. Яковлев А. И. Использование из­
быточности в аналоговых компараторах для
повышения достоверности результатов ав­
томатического контроля. — «Измерительная
техника», 1966, № 7.
19-15. Зубашич В. Ф., Кротенко В. П.
Трансфлюксор-транзисторные датчики до­
пускового контроля электрических величин.—
«Приборы и системы управления», 4971,
№ 9.
19-16. Заугольный Р. В. Устройство
контроля и сигнализация.— «Приборы и си­
стемы управления», 4969, № 4.
49-17. Сусленко М. Д., Шприц Э. И.
Сигнализатор
унифицированного тока.
«Приборостроение», 1966, № 2.
49П8. Бруфман С. С. Цифровые элемен­
ты сравнения. М., «Энергия», 4907.
19-19. Щупов В. П., Бизин И. В. Уст­
ройство сравнения десятичных кодов по ло­
гике равно — больше — меньше.— «Приборы
и системы управления», 1969, № 3.
19-20. См. [Л. 9-2].
10-21... См. [Л. В-4]!
19-22. Живов Н. П. Информационные
критерии оптимальности для сигнализации
выбегов в системах 'централизованного кон­
троля непрерывными технологическими про­
цессами.— «Приборы и системы управле­
ния», 1968, № 8.
19-23. См. [Л. 9-43].
19-24. Галактионов А. И. Представле­
ние информации оператору. М., «Энергия»,
1969.
1925. Ивашкин Ю. А. Информационные
характеристики систем отображения и их
взаимосвязь с психофизиологическими пока­
зателями деятельности оператора.—«При
боры и системы управления», 1969, № 4.
К гл. 20
20- 1. См. {Л. 9-4].
20-2. См. {Л. 42-19],
20-3. Унифицированный комплекс ана­
логовых сигнализирующих контактных при­
боров общепромышленного применения (ре­
феративный сборник). М„ ЦНИИТЭИ при­
боростроения, 4970.
20-4. Селпбер Б. А. и др. Многоканаль­
ные щитовые узкопрофильные приборы со
оветовым указателем.— «Приборы и систе­
мы управления», 1970, № 12.
20-5. Унифицированный комплекс ана­
логовых устройств (КАУ) общепромышлен­
ного применения с использованием линейных
газоразрядных индикаторов. Проспект заво­
да «Омэлектроприбор», 4971.
20-6. Щитовые цифровые приборы. Про­
спект завода «Омэлектроточпрнбор», 1974.
;
20-7. Вихмаи В. С. Применение теле­
визионно-вычислительной техники в авто­
матическом контроле размеров.— «Измери­
тельная техника», 1962, № 44.
20-8. Полоник В. С. Телевизионная ав­
томатика. Л., «Энергия», 1970.
20-9. См. [Л. 11-2].
20-40. См. (Л. 41-4].
20-11. Затока Л. И., Рабинович В. И.,
Шафф Е. М. Измерение линейных размеров
проката с помощью цифровых телевизион­
ных датчиков с толоконной оптикой.— «Тру­
ды II Всесоюзной конференции по приме­
нению телевизионной ’вычислительной техни-
ни в производстве». Изд. НТОР им.
числительных машин в условиях эксплуата
А. С. Попова, 1966.
ции.— «Приборы и системы управления»^
2012. Вихман В. С. Применение телеви­ 1971-, N° 10.
зионных систем дли 'контроля линейных
22-5. Карлин Л. А., Кусовский Б. И.
размеров в 'машиностроении.— «Труды Меж­
Опыт эксплуатации машины «Днепр-1» на
вузовской научной конференции». М.„ Изд.
установке АВТ-2.— «Приборы и системы
МВТУ., 1959.
управления», 1968, N° 1.
22-6. Лапшин Ю. П. Управляющие вы­
числительные машины в автоматизирован­
К гл. 21
ных системах управления.— «Приборы и
21- '1. См. (Л. *19-2].
системы управления», 1967, № 10.
21-2. См. (Л. В-15].
22-7. Зубков ,Г. А. Новое в автомати­
21-3. См. (Л. 19-Т2].
зации цветной металлургии (состояние и
21-4. Машины централизованного конт­
перспективы).— «Приборы и системы управ­
роля
(реферативный
(сборник).
М.„
ления», 1967, N° 10.
ЦНИИТЭИ приборостроения, ‘1969.
22-8. Козмидиади В. А., Якобсон Б. М.
21-5. Фомин В. Машины централизован­
Агрегатная централизованная система конт­
ного контроля «Сокол».— «Приборы и си­
роля и (управления производством (АЦС).—
стемы управления», 1969, № 6.
«Приборы и системы управления», 1967,.
21-6. Антипенков В. П. и др. Ма­
№ 1.
шины
централизованного
контроля и
22-9. Дуэль М. А. Некоторые результа­
управления для алюминиевого производст­
ты внедрения системы автоматического уп­
ва (ЭРА-800).— Труды IV конференции по
равления типа «Комплекс» на энергоблоке
автоматическому контролю и методам элек­
мощностью 200 МВт.— «Приборы и системы
трических измерений. Новосибирск, «Наука»,
управления», 1967, N° 1.
1964.
22-‘10. Косякова Е. П. Машина «Сиг­
21-7. Труды МЭИ. Автоматика и телеме­
нал».— «Приборы и системы управления»,
ханика. Под ред. А. В. Нетушила. М., Изд.
1968, N° 3.
МЭИ, 1962, вып. 44.
22-11. Гольццев Л. К., Бояршин Н. И.
21-8. «Труды МЭИ. Проблемы центроО вводе аналоговой и цифровой информа­
техники». Под ред. Ф. Е. Темникова. М.„
ции в ЭЦВМ, используемую в качестве уп­
Изд. >МЭИ, 1963, вып. 52.
равляющей.— «Приборы и системы управле­
21-9. Темников Ф. Е. и др. Модернизи­
ния», 1970, № 8.
рованная система централизованного конт­
22-12. Минскер И. Н. и др. Система кон­
роля «Центротехника-3». — «Приборы и
троля и диспетчеризации производства па­
системы управления», 1968, N° 4.
рафина.— «Приборы и системы управления»,
2110. Агейкин Д. И., Кнопов Ю. Т.,
1970, N° 6.
Кузнецов Н. Н. Система спорадического
22-13. Леонов А. Л., Штраль И. Я. Ав­
контроля. — «Приборы и системы управле­
томатизированные системы управления и
ния», 1970, № 4.
технические оредства для их реализации на
международной
выставке «Химия-70».—
К гл. 22
«Приборы и системы управления», 1971,
221. Вычислительная техника для уп­ N° 1.
22-14. Захаров А. Н. и др. Цеховая си­
равления производственными процессами.
стема централизованного контроля и управ­
Справочник под ред. Ю. С. Вальденберга.
ления «Кислород-1».— «Приборы и систе­
М., «Энергия», 1971.
мы управления», 1971, N° 1.
22-2. Образцов Г. И., Белостоцкий А. А.
22-16. Голованов О. В. и др. Некоторые
Третий международный семинар по систе­
результаты внедрения системы управления
мам 'управления.— «Приборы и системы
производством аммиака.— «Приборы и си­
управления», 1971, о\° 9.
стемы управления», 1968, N° 5.
22-3.
Информационно-вычислительная
22-16. Великих Н. П., Марьенко Г. С.
машина ИВ-500. М., Онтинрибор, 1967.
Использование управляющей (вычислитель­
22-4. Ястребенецкий
М. А.,
Плотной машины УМ-1 в металлургической прокин В. А. Надежность информационно-вы310
мышленносги — «Приборы и системы управ­
24-7. Розенблат Ф. Принципы нейроди­
ления», 11968, № 9.
намики (перцептроны и теория механизмов
22-17. Липаев В. ,В., Колин К. К., Семозга). М., «Мир», 1065.
ребровский Л. А. Математическое обеспече­
24-8. Распознавание слуховых образов.
ние управляющих ЦВМ. М., «Советское ра­
Под ред. М. Г Загоруйко и Г. Я. Волоши­
дио», 19(72.
на. Новосибирск, «Наука», 1970.
2218. Управляющая
«вычислительная
24-9. Файн В. С. Опознавание изобра­
система «Днепр-2». Под.общ. ред. А. Г. Кужений. М., «Наука», 1970.
харчука и В. М. Египко. Киев, «Наукова
24-10. «Вопросы статистической теории
думка», 1972. Авт.: Белкина Л. М., Египраспознавания. М.,, «Советское радио», 1967.
ко В. Мм Заславский Р. И. и др.
Авт.: Барабаш Ю. Л,, Барский Б. В., Зи­
новьев В. Т. и др.
К гл. 23
24-11. Себастиан Дж. Процессы приня­
тия решений при распознавании образов.
231. Введение ib техническую диагно­ Киев, «Техника», 1965.
стику. М.„ «Энергия», 1968. Авт.: Верза24-12. Аркадьев А. Г., Браверман Э. М.
ков 'Г. Ф., Киншт Н. В,, Рабинович В. И.,
Обучение машины классификации объектов.
Тимонен Л. С.
М.„ «Наука», 1971.
23-2. Карибский
В.
В., Пархомен­
24-13. Загоруйко Н. Г. Методы распоз­
ко П. Пм Согомонян Е. С. Техническая ди­
навания и их применение. М„ «Советское
агностика объектов Контроля. М., «Энергия»,
радио», 1972.
1967.
2414. Шибанов Г. П. Распознавание
23-3. Пархоменко П. П. О технической
образов в системах автоконтроля. Под ред.
диагностике. М„ «Знание», 1969.
Ф. Е. Темникова. М., «Машиностроение»,
23-4. Автоматизация
радиоизмерений.
1973.
М.„ «Советское радио», 1966. Авт.: Бала­
шов В. П.., Валитов Р. А., Вихров Г. П. и др.
К гл. 25—29
23-5. См. {Л.,12-3].
251. Лёвин А. А. и др. Классификация
23-6. См. [Л. 18-21].
автоматизированных систем управления тех­
23-7. Сытина Н. В. Автоматизация ис­
нологическими
процессами и производства­
пытаний радиоэлектронного оборудования.
ми.— «Приборы и системы управления»,
Краткий обзор иностранной литературы.
1970, № 4.
М„ «Советское радио», 1959.
25-2. Красивскнй С. П. Государственная
238. Кузнецов П. И., Пчелинцев Л. А.,
система приборов и средств автоматизации
Гайденко В. С. Контроль и поиск неисправ­
(ГСП). М.„ «Знание», 11969.
ностей в сложных системах. Мм «Советское
25-3. Беркович М. М. Принцип агрегати­
радио», |1969.
рования в технике. М.„ «Знание», 1969.
25-4. Карибский В. В., Сотсков Б. С.
К гл. 24
Общая государственная система приборов
241. Васильев В. 'И. Распознающие си­ и средств автоматизации.— «ЭИКА», 1967,
т. 7. М.,, «Энергия».
стемы. (Справочник). Киев, «Наукова дум­
25-5. Раковский М. Е., Свечарник Д. В.
ка», il969.
Насущные «вопросы развития технических
24-2. Бонгард М. М. Проблема узнава­
средств управления производством.— «При­
ния. М.„ «Наука», 1965.
боры и системы управления», 1967, iNb 10.
24-3. Цыпкин Я. 3. Адаптация и обуче­
' 25-6. Сотсков Б. С. Развитие «приборо­
ние в автоматических системах. М., «Нау­
строительной
промышленности в странахка», 1968.
членах СЭВ — «Пр'иборы и системы управ­
24-4. Сочивко В. П. Электронные опоз­
ления», 1967, № 10.
нающие устройства. М.,, «Энергия», 1964.
25-7. Ursamat-Handbuch. VEB Verlag
*24-5. Пересада В. П. Автоматическое
Teohnik, Berlin, 1969.
распознавание образов. М.,, «Энергия», 1970.
25-8. Видмар X. Система УРСАМАТ.—
24-6. Петров А. П. О возможностях
«Приборы
и системы управления», 1969,
перцептрона.— «Техническая кибернетика»,
№
4.
1964, № 6.
25-9. Wiedmar H. Technrsche Informal ion
(Messen, Steuern, Regeln), iFuirfrte, bearbei
tende Auflage, VE'B Verlag Technik, Berlin,
1969.
25-10. Вычислительная система IBM/360.
Принципы работы. Под ред. В. С. Штаркмана. М., «Советское радио», 1969.
25-ill. Агейкин Д. И., Кузнецова Н Н.
Японская общепромышленная автоматика.—
«Приборы и системы управления», 1967,
№ 4.
25-12. Березовец Г. Т. Современное
состояние и тенденции развития пневмоав­
томатики.— «Приборостроение», 1966, № И,
25-13. Живов Н. П. Перспективы приме­
нения в промышленности типовых пневмати­
ческих систем автоматизированного конт­
роля и управления — «Приборостроение»,
1966, №11*.
25-14. Агейкин Д. И., Костина Е. Н.,
Кузнецова Н. Н. Датчики контроля и ре­
гулирования. Справочные материалы. Изд.
2-е. М., «Машиностроение», 1965.
25-15. Арутюнов К. Б. Датчики государ­
ственной системы приборов
(ГСП).—
«ЭИ1\А», 1969, т. il3. М,, «Энергия»,
25-16. «Приборостроение, 1965, № 10
(Статьи, посвященные блочно-модульному
принципу построения датчиков ГСП).
25-17. Николаев Г. В., Шапиро Э. Т.
Новая система измерительных преобразова­
телей.— «Приборостроение», 1966, № 7.
25-18. Кенигсберг В. Л., Николаев Г. В.,
Шапиро Э. Т. Дополнительный комплекс
датчиков унифицированной системы.— «При­
боры и системы управления», 1968, № 10.
25-49 Мосин В. Н., Рухадзе В. А. Тех­
нико-экономическая эффективность унифи­
кации и типизации в приборостроении.—
«Приборостроение», 1965, № 11.
25-20. Унифицированные структуры для
системы управления на базе КТС ЛИУС.
Киев, УкрНИИНТИ, ,1969.
25-21. Номенклатура ’ изделий
КТС
ЛИУС на дискретных элементах (каталог).
Редакция 2-70, Харьков, СКБ САУ, 1970.
25-22 См. [Л. 22-1].
25-23. САМАС — a modular instrumenta
tion system for data handli.— «Discription
and Specification». ESONE Committee 2.
Preprint EUR-4400 e., 1969, March.
25-24. Агрегатная система средств вы
числительной техники. Киев, УкрНИИНТИ,
1969.
система средств вы­
техники (AGBT) Северодонецк, Изд. НИИУВМ,, 1968.
25-26 Р а зр а б о т к а и внедрение агрегат­
ной системы средств вычислительной техни­
ки , (технические средства). М., ЦНИИТЭИ
приборостроения 1970.
25 -2 7 , П р оек т и р ов ан и е и внедрение ав­
томатизированных систем управления с ис­
пользованием средств АСВТ. М., ЦНИИТЭИ
приборостроения, 4970.
25-28. Р а зр а б о т к а и внедрение агрегат­
ной системы средств вычислительной тех­
ники (принципы построения и применения).
М., ЦНИИТЭИ приборостроения, 1969.
25-29. См. [Л. 22-6].
25-30. Е силевск ая Л . М . Современные
методы и приборы автоматического контро­
ля и регулирования технологических про­
цессов.— «Приборы и системы управления»,
1971, № 9.
25-31. Г егеш и д зе Г. А. Создание новых
средств вычислительной техники.— «Прибо­
ры и системы управления», 1970, № 4.
25-32. О сн овн ы е направления в разви­
тии устройств связи с объектом (УСО)
АСВТ.— «Труды НИИУВМ», 1970, вьш. 2,
Сев ер оДонецк.
25-33. А гр егатн ы й . комплекс средств
электроизмерительной техники (АСЭТ). Л.,
ВНИИЭЦ, 4970.
25-34. К аверкин И. Я ., Ц ветк ов Э. И.,
Ш к абар дн я М. С. Средства электроизмери­
тельной техники (состояние и тенденции
развития).— «Труды ВНИИЭП», 1970, № 5.
25-25. А гр егатн ая
ч и слител ьной
25-35. Ш к абар дн я М. С., А н д р еев О. С.,
Н. В. К вопросу построения
автоматизированной системы средств реги­
стрирующей техники.— «Приборы и систе­
мы управления», 1970, № 12.
25-36. Б ор и с Я. В., К ац Б. М ., К ю зд ени О. А. Система унифицированных прибо­
ров дистанционного контроля основных па­
раметров дизелей.— «Приборы и системы
управления», 4968, № 5.
25-37. К арпин Е. Б. и др. К вопросу
о создании системы приборов для измере­
ния и дозирования массы.— «Приборы и
системы управления», 1967, № 2.
25-38. Лёвин А. А., Павлов В. В. О при­
менении АСВТ в автоматизированных с и ­
стемах управления технологическими про­
цессами и производством.— «Приборы и
системы управления» 1972, № 1
М арты ненк о
25-39. Пилипчатин Е. Н Логические
блоки АСВТ. М , «Энергия», '1971.
25-40. См. [Л. 9-14].
25-44. The САМ АС schema. A presenta­
tion .at Harwell on 24th 'September, -1970.
Edited by H. Bisby — Report AERiE-R, 6713,
197(1, Feb.
25-42. Iselin F. and al. GAMAC options.
GERN-NiP, GAMAC, Dec., 1963.
. 25-43. Барнес P. С. M. и Хутон И. H.
Модульная система контрольно-измеритель­
ной аппаратуры САМАС. Harwell Report
AERE-R 6081, 1969.
,
25-44. Управляющий
вычислительный
комплекс АСВТ М-4000. М.„ Изд. ЦНИИ
информации и технико-экономических ис­
следований приборостроения, оредств авто­
матизации и систем управления, 1974.
25-45. Новый набор агрегатных модулей
АСВТ М-6000. М„ Изд. ЦНИИ информа­
ции и технико-экономических исследований
приборостроения, средств автоматизации и
систем управления, 1971.
25-46. Кавалеров Г. И. Государствен­
ная система промышленных приборов и
средств автоматизации.— «Приборы и си­
стемы управления», 1972, № 7.
25-47. Электронно-вычислительная ма­
шина «Электроника-100» (техническое описа­
ние), М.„ 1970.
25-48. Мачулин В. В., Пятибратов А. П.
Эффективность систем обработки информа­
ции. М., «Советское радио», 1972.
К заключению
3-1. Месяцев П. П. Введение в теорию
проектирования и .производства радиоаппа­
ратуры. М., «Высшая школа», 11901.
3-2. Гуд Г. X., Макол Р. Э. Системотех­
ника. Введение в проектирование больших
систем. М., «Советское радио», 1962.
3-3. Диксон Дж. Проектирование си­
стем. Изобретательство, анализ и принятие
решений. М., «Мир», ,1969.
3-4. Честнат Г. Техника больших си­
стем (средства -системотехники). М., «Энер­
гия», 1969.
3-5. Квасницкий В. М., Левинтов А. Г.,
Юрин О. Н. Электрические схемы в радио­
электронике и приборостроении. М., «Связь»,
1970.
3-6. Карандеев К. Б. Специальные ме­
тоды электрических измерений. М.„ «Энер­
гия», 1963.
3-7. Кулик В. Т. Цифровое моделиро­
вание сложных систем. Киев, Изд-во Киев­
ского университета 1964.
3-8. Бусленко Н. П. Математическое
моделирование производственных процес­
сов. М., «Наука», 1964.
3-9. Применение вычислительных ма­
шин для проектирования цифровых уст­
ройств. Сб. статей под общ; ред. В. Я. Матю­
хина. М„ «Советское радио», 4968.
3-10. Автоматизация
проектирования
в электронике. Республиканский межведом­
ственный научно-техический сборник. Киев,
«Техника», 1970.
3-11. Уилсон А., Уилсон М. Информа­
ция, вычислительные машины и проекти­
рование систем. М., «Мир», 4968.
3-12. Фистер М. Логическое проектиро­
вание цифровых вычислительных машин.
Киев, «Техника», 1964.
3-13. Баглай Р. Д. К -вопросу автома­
тического измерения величии при минималь­
ной априорной информации.— «Автометрия»,
<1965, № 4.
3-14. Карандеев К. Б., Пучкин Б. И.
Бионика и измерения.— «Измерительная
техника», 1964, № 4.
3-45. Берг А. И. Бионика и ее значение
для развития техники.— В кн.: Бионика.
М„ «Наука», 1965.
3-46. Биологические исследования для
измерительной техники. ACTA IMEKO, 1967.
Будапешт. Авт.: Карандеев К. Б., Охот­
ская В. Н., Пучкин Б. И., Цапенко М. П.
3-17. Пинчук Л. Е.,Цапенко М. П. Био­
ника и проблемы измерительной техники.—
В кн.: Проблемы электрометрии. Новоси­
бирск,, «Наука», 1967.
3-118. Мкртчян С. О. Нейроны и нейрон­
ные сети. М„ «Энергия», 1974.
3-49. Ильин В. Н. Машинное проекти­
рование электронных схем. М., «Энергия»,
1972.
Автокорреляционная функция 74, 171, 179,
193
Автометрия 8—10
Адаптивное квантование по времени 77—82
Аппроксимация 64
Быстрое преобразование Фурье—Уолша 73
Величина измеряемая 13
— контролируемая 13, 207
Взаимная корреляционная функция 180
Волоконная оптика (применение светово­
дов) 112, 239
Время восприятия 233
Голографическое изображение 111
Графопостроители двухкоординатные 117
Дискретное
измерительное
ДИУ-256 159
Дискреты 60
Дисперсионный анализ 53
устройство
Знаковые индикаторы на электронно-луче­
вых трубках 115
Измерение 5
Измерительная информационная техника
(ИИТ) 5
Измерительные информационные системы
(ИИС) 8
— системы (ИС) 8
Инвариантность 204
Индикация НО
— трехмерная 111
Интегральные оценки погрешности 24
Интервал корреляции 70, 87, 180
Интерполяция 64
Информации, количество 36
—, теория 34
Информационная техника 5
Информационный критерий эффективности
220
Информация 21, 33
— измерительная- 33
— количественная 33
— контрольная 32
Качество системы 49
Классификация ИИС 12
— многоточечных ИС 145
— САК 207
— сканирующих ИС 122
314
^Кодирование помехоустойчивое 92
'— эффективное 91
Коды квазиэквидистантные 95
— отраженные (рефлексные) 95
— эквидистантные 95
Коммутаторы измерительные 146
Контроль 5
— двукратный 215
— дискретный 218
— непрерывный 217
— с измерением 219
Коррелометры компенсационные 186
— полярные 184
— релейные 185
— с применением интеграла Стилтьеса 185
Критерии обобщенные 46, 49
— частные 46
— эффективности 45
Кусочно-равномерное программное кванто­
вание по времени 78
Линеаризация сигналов от датчиков 225
Математическая модель объекта 8, 52, 57
Математическое ожидание случайного про­
цесса 179
Матричное управление коммутатором 150
Матричные умножители 190
Метод Гаусса — Зейделя 141, 202
— градиентный 140, 202
— деревьев логических возможностей 27—29
— наискорейшего спуска 141, 202
— случайного спуска 141
Метрология 7
Многоточечная ИС на полевых транзисто­
рах 159
-------с апериодическими переходными про­
цессами 162
-------с магнитным коммутатором 161
Многочлены Лагерра 72, 191, 198
— Лагранжа 66
— Лежандра 71, 82
— Ньютона 67, 82, 154
— Чебышева 71
Многочлены ортогональные 70
Многофакторный эксперимент 54
Модулирующая величина 83
Модулируемая величина 83
Модуляции глубина 85
— индекс 85
Модуляция 83
— амплитудная 84
— амплитудно-импульсная 88
— время-импульсная 88
— фазовая 84
— частотная 84 -— широтно-импульсная 88
Мозаичное
цифровое
регистрирующее
устройство 113
Муаровые полосы 135
Обратная задача оценки
ИС 31
Объект исследования 21
Опознание образов 6, 263
Ошибки второго рода 210
— первого рода 210
погрешностей
Параметры неуправляемые 45
— управляемые 45
Перфораторы 117
Перцептрон 265
Пирометр радиационный сканирующий 138
Плотность распределения вероятностей 173
Погрешность измерения 22
— квантования по уровню 61
— коммутаторов при работе с генератор­
ными датчиками 147
----------- с параметрическими датчиками 149
Помехи поперечные (наведенные) 226
— продольные 226
Помехоустойчивость 83, 88, 90
Последовательный эксперимент
(анализ)
54, 213
Потребитель информации 21
Пропускная способность 40, 109
Регрессионный анализ 56
Ряд Котельникова 69
— Фурье 68
— Фурье—'Уолша 72, 76, 192, 198
— Хаара 192
Сжатие измерительной информации «квазиобратимое»» 78
— «необратимое» 78
Синтезирующие знаковые индикаторы ИЗ
Системы автоматического контроля (САК)
8, 205-252
— опознания образов (СОО) 8, 263—267
— технической диагностики
(СТД)
8,
259—263
Сканирующие датчики 121
Скорость получения информации 39
Случайный процесс, стационарный и эргодической 171
Спектральная плотность амплитуд 194
-------мощности 195
Спектральные анализаторы бесфильтровые
— — гетеродинные 196
------ фильтровые 196
Способы совпадения 105
— уравновешивания 105
Сравнение кодов 229
Средний риск 25
Структуры ИС 106
Счет 6
Телевизионный датчик 238
Теория обратимых преобразователей 42
Техническая диагностика 6, 193
— кибернетика 5
Устройство ввода в ЭЦВМ
информации 131
---------------- MACK 129
--------------- ПГ-1 128
фильмовой
Функции Радемахера 72
— Уолша 72, 82
Функция отклика 55
— отсчета 69
— распределения вероятностей,, интеграль­
ная 172
Эквивалентное число делений 37
Экстремальные оценки погрешности 23
Электромагнитная регистрация 116
Энтропийная погрешность 38
Энтропия 34, 220, 233
Эффективность 45, 220
— техническая 45
— экономическая 58, 221
Предисловие
3
Введение
5
ЧАСТЬ ПЕ Р В А Я
Общие теоретические вопросы
построения ИИС
Глава первая.
ИИС
Классификация
1-1. Выбор
классификационных
признаков
1-2. Классификация ИИС по виду
входных величин
1-3. Классификация ИИС по виду
выходной информации
1-4. Обобщенная
структурно­
функциональная схема ИИС
1-Ь. Классификация
ИИС
по
принципам -построения
1- 6. Общая (укрупненная) клас­
сификационная 'схема ИИС
Г л а в а в т о р а я . Основные харак­
теристики ИИС и их оценка
2- 1. Вводные замечания
2-2. Оценка
погрешности
ИС
2-3. Полная
погрешность
ИС
2-4. Оценка количественной ин­
формации, получаемой с по­
мощью ИС
2-5. Информационная
избыточ­
ность в ИС
2-6. Скорость получения инфор­
мации и пропускная способ­
ность средств измерительной
информационной
техники
2-7. О «старении» измерительной
информации
2- 8. Энергетические закономерно­
сти преобразования сигналов
при измерении
Г л а в а т р е т ь я . Оценка эффектив­
ности ИИС
3-1. Техническая эффективность
ИИС
3-2. Экономическая
эффектив­
ность ИИС
3-3. Совместное рассмотрение тех­
нической и экономической
эффективности ИИС
12
12
13
14
17
19
20
21
21
22
26
33
39
39
41
42
45
45
48
49
Г л а в а ч е т в е р т а я . Планирова­
ние измерительных экспериментов
4-1. Вводные замечания
4-2. Основные методологические
идеи теории планирования
экспериментов
4-3. Планирование регрессионных
экспериментов
4-4. Планирование экспериментов
по выяснению механизма яв­
ления
4- 5. Планирование экстремальных
экспериментов
Г л а в а пя т а я . Дискретизация и
восстановление непрерывных ве­
личин
5- 1. Общие положения
5-2. Квантование
по
уровню
5-3. Квантование по времени и
восстановление непрерывных
измеряемых величин при фи­
ксированных
интервалах
квантования
а) Приближение
многочле­
нами.
Критерий
погреш­
ности восстановления — ма­
ксимальное отклонение
б) Среднеквадратичное при­
ближение
5-4. О принципах построения ап­
проксимирующих измеритель­
ных устройств
5- 5. Адаптивное квантование по
времени (сжатие измеритель­
ной информации)
Г л а в а ше с т а я . Виды модуляции
6- 1. Основные определения
6-2. Модуляция
гармонического
колебания
6-3. Модуляция
периодических
последовательностей импуль­
сов
Глава
с е д ь м а я.^ Кодирование
в измерительной информационной
технике
7- 1. Основные задачи кодирова­
ния и их специфика в изме­
рительной
информационной
технике
7-2. Цифровое кодирование при
измерении
. . .
7-3. Помехоустойчивое кодирова­
ние
. . .
93
98
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
Измерительные системы
А. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
ДЛЯ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
в о с ь м а я . Структуры из­
мерительных систем для прямых
измерений
ЮЗ
Г л а в а д е в я т а я . Индикация и
регистрация измерительной ин­
формации
.................................................... ПО
Глава
9-1. Вводные замечания
.
.
9-2. Индикация непрерывных и
дискретных величин
.
.
9-3. Индикация знаковой инфор­
мации
9-4. Регистрация
.
. .
.
Измерительные
системы параллельного дейст­
вия — многоканальные
измери­
тельные системы
.
. .
.
Г л а в а о д и н н а д ц а т а я . Измери­
тельные системы последователь­
ного действия — сканирующие из­
мерительные системы
. .
.
Глава
110
НО
112
116
десятая.
118
120
11-1. Основные типы измеритель­
ных систем последовательно­
го д е й с т в и я .................................120
11-2. Сканирующие измерительные
системы расшифровки графи­
ческих изображений .
. 123
а) Сканирующие ИС рас­
шифровки непересекающихся
и 1 цветных пересекающихся
г р а ф и к о в .................................... 126
б) Сканирующие ИС рас­
шифровки
пересекающихся
одноцветных графиков
.
132
11-3. Сканирующие системы, осу­
ществляющие измерение поля
перемещений объекта
. .
134
11-4. Сканирующие ИС, предназна­
ченные для измерения поля
т е м п е р а т у р ................................. 136
11-5. Понятие об активном и пас­
сивном сканировании
. ,
140
д в е н а д ц а т а я . Измери­
тельные системы параллельно-по­
следовательного действия — мно­
готочечные измерительные систе­
мы ...................................................
Глава
•
12-1. Основные классы систем па
раллельно-последовательного
действия
. . .
.
12-2. Коммутаторы И С
.
.
.
а) Основные типы к ом м утаторов и их харак тер и сти к и
143
143
146
146
б) Коммутационные элементы
146
в) Погрешности коммутато­
ров
. . . .
147
г) Построение схемных ком­
мутаторов
. .
. 149
д) Коммутаторы с контакт­
ными ключами
. . .
151
е) Коммутаторы с бескон­
тактными ключами
. . 153
12-3. Реализации
многоточечных
ИС
.
. .
. 155
а) Общие требования к мно­
готочечным ИС . . .
155
б) Многоточечные
ИС для
сигналов , низкого уровня
158
т р и н а д ц а т а я . Измери­
тельные системы с общей образ­
цовой величиной — мультипли­
цированные развертывающие из­
мерительные системы .
Глава
163
13-1. Основные
модификации
13-2. Принципы . построения муль­
типлицированных ИС
163
166-
Б СТАТИСТИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Г л а в а ч е т ы р н а д ц а т а я . Систе­
мы, предназначенные для изме­
рения параметров распределения
вероятностей случайных процес­
сов
. . .’ . . . .
170
14-1. Основные определения. Мето­
дические погрешности
. .
172
14-2. Одноканальные анализаторы
175
14- 3. Многоканальные анализатор­
ные И С .................................176
п я т н а д ц а т а я . Корреля­
ционные измерительные системы
Глава
179
15- 1. Основные определения. Ме­
тодические погрешности
.
179
15-2. Методы построения корреля­
ционных ИС
.
.
.
.
183
а) Корреляционные ИС с по­
следовательным измерением
коэффициентов
корреляции
183
б) Корреляционные ИС с па­
раллельным и параллельнопоследовательным измерени­
ем коэффициентов корреля­
ции ........................................ 187
в) Корреляционные ИС с из­
мерением
коэффициентов
многочлена, аппроксимирую­
щего корреляционную функ­
цию
.
.
15-3. П рим еры п р им енени я
л я ц ион ны х И С
190
корре­
.
192
Глава
шестнадцатая.
Систе­
мы спектрального анализа
1G-1. Основные о п р ед ел ен и я
16-2. А п п ар атур н ы е м етод ы и зм е ­
рения сп ек тр ал ь н ой п л отн о­
сти
сл уч ай н ы х
п р оц ессов
д в а д ц а т ь п е р в а я . Си­
стемы автоматического контроля
пареллельно-последовательного
действия — машины централизо­
ванного контроля
Глава
194
194
195
I
В. Р А З Д Е Л Ь Н О Е И З М Е Р Е Н И Е
ЗА В И С И М Ы Х В Е Л И Ч И Н
Г л а в а с е м н а д ц а т а я . Измери­
тельные системы для раздель­
ного измерения зависимых ве­
личин
ЧАСТЬ
Системы
198
ТРЕТЬЯ
автоматического контроля
восемнадцатая.
Тео­
ретические вопросы автоматиче• ского контроля
Глава
18-1. Ф ункции
и
к л асси ф и к ац и я
САК
.
.
18-2. В ы б о р к о н т р о л и р уем ы х в ел и ­
чин и о б л а ст ей и х н ор м ал ь ­
ных зн ачени й
.
18-3. К о н т р о л ь случай ны х величин
18-4. С татисти ческий к он троль
1 8 -5 . С п особы опи сан и я норм и
вы дачи ц и ф р ов ой к он т р ол ь н о­
и зм ер и тел ь н ой
и н ф ор м ац и и
18-6. К в а н т о в а н и е
непреры вной
к он т р о л и р у ем о й величины во
врем ен и
.
.
18- 7. О ценк а эф ф ек ти в н ости и с т о ­
им ости С А К
д е в я т н а д ц а т а я . Специ­
фические элементы систем авто­
матического контроля
205
20 5
209
209
214
216
217
220
двадцатая.
Системы
автоматического контроля парал­
лельного и последовательного
действия
243
243
24 5
246
248
248
250
Глава
2 2 - 1. О бщ и е п о л о ж е н и я
.
22-2. И н ф ор м ац и он н о-в ы ч и сл и т ел ь ­
н ая м аш и н а И В -5 0 0
22-3. У п р ав л я ю щ и е
в ы числитель­
ные м аш ины
а) У В М « Д н еп р »
б) У В М « Д н еп р -2 »
в) У В М УМ -1
22-4. С п ец и ал и зи р ов ан н ы е и н ф о р ­
м ац и он н о-вы чи сли тел ьн ы е
ком плексы
222
стики и их связи с системами
автоматического контроля
223
Глава двадц ать четвертая.
О системах опознания образов и
их связи с системами автомати­
ческого контроля
252
252
253
25 6
25 6
257
258
258
259
263
226
ЧАСТЬ
228
232
Глава
2 0 - 1. С истем ы
а в т ом ати ч еск ого
к он тр ол я м гн овен ны х зн а ч е ­
ний величин с параллельн ы м и
к а н ал ам и к он троля
20-2. С истем ы
а в т ом ати ч еск ого
кон тр ол я
п о сл ед о в а т ел ь н о го
д ей ст в и я
д в а д ц а т ь в т о р а я . Ис­
пользование управляющих вычис­
лительных машин для автомати­
ческого контроля
240
Глава
двадц ать
третья.
О системах технической диагно­
Г л ава
1 9 - 1. У н и ф и ц и рую щ и е (н о р м а л и зу ­
ю щ и е) элем ен ты
#
19-2. П о м ех и во в х о д н ы х ц еп я х
С А К и меры по ум ен ьш ен и ю
и х влияния
19-3. У стр о й ств а
ф ор м и р ов ан и я
оп и сан ий норм и ср ав н ен и я
у с т а в о к со зн ач ен и ям и к он ­
т р о л и р у ем ы х величин
1 9 - 4. П р ед ст а в л ен и е
р езу л ь т а т о в
к он тр ол я в С А К
21-1. О б щ и е П ол ож ен и я
21-2. О п и сан и я стр ук тур н ы х схем
м аш ин
ц ен т р а л и зо в а н н о го
контроля
.
а) М аш и н а М А Р С -У Б
б ) М аш ины « З ен и с-1 » и « З е ­
н и т-2»
в ) М аш и н а «С ок ол »
2 1 - 3. С истем ы
ав т ом ат и ч еск ого
к он т р ол я с общ ей о б р а з ц о ­
вой величин ой
.
а) С и ст ем а
«Ц ен т р о т ех н и к а -3 »
б ) С и ст ем а
ав т ом ат и ч еск ого
к он т р ол я с перем енн ы м и у с ­
т ав к ам и
240
Ч Е Т В Е Р Т А Я
Построение измерительных информа­
ционных систем на базе агрегат­
ных комплексов Грсударственной
системы приборов и средств ав­
томатизации
д в а д ц а т ь п я т а я . Госу­
дарственная система приборов и
средств автоматизации (ГСП) и
Международная
универсальная
система автоматического контро­
ля, регулирования и управления
(У PC)
И
268
д в а д ц а т ь ш е с т а я . Аг­
регатный комплекс средств кон­
троля и регулирования (АСКР)
274
Глава
234
234
Глава
237
'Глава
двадцать
седьмая.
Комплекс технических средств
локальных информационно-управ­
ляющих систем (КТС ЛИУС),
агрегатный комплекс средств вы­
числительной техники (АСВТ) и
комплекс КАМАК
Глава
двадцать
Заклю чение
Глава
двадцать
285'*
28 7
275
П ри лож ени е
27-1. К р а т к а я хар а к т ер и сти к а КТС
ЛИУС
27-2. К р а т к а я
х а р ак тер и сти к а
АСВТ
27-3. К р атк ая хар а к тер и сти к а к о м ­
пл ек са К А М А К
девятая.
Использование , комплексов ГСП
при создании ИИС
1.
Основные услов­
ные обозначения
291
2. Условные обозна­
чения в структурных схемах из­
мерительных информационных си­
стем
291
275
278
280
П рилож ение
восьмая.
Агрегатный комплекс
электроизмерительной
(АСЭТ)
средств
техники
Список
281
литературы
А лф авитны й у к а за т ел ь
29 6
314
Михаил Петрович Цапенко
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Рецензенты В. Н. М а л и н о в с к и й ,
А. М. М е л и к - Ш а х н а з а р о в
Редактор И. М. Ш е н б р о т
1
Редактор издательства Н. Б. Ф о м и ч е в а
Переплет худож ника А. А. И в а н о в а
Технический редактор М. П. О с и п о в а
Корректор И. А. В о л о д я е в а
Сдано в набор 18/IV 1974 г.
Подписано к печати 26/XI 1974 г.
Т-20124
Бумага типографская № 3
Уел. печ. л. 26
Тираж 17 000 экз.
Зак. 741
Формат 70xl00l/ia
Уч.-нзд. л. 27J33
Цена 1 р. 21 к.
Издательство «Энергия», Москва, М-114, Ш люзовая наб., 10.
Московская типография № 10 Союзполиграфпрома г!ри Госу­
дарственном комитете Совета Министров СССР по делам из­
дательств, полиграфии н книжной торговли.
Ш люзовая наб., 10.